Znáte chemický vzorec vody? Co je to za otázku! Znají ho přece i děti na prvním stupni základní školy. Že tento vzorec nemusí být vždy správný, se domnívají vědci z Technické univerzity v Berlíně, kteří molekuly vody podrobili experimentům, využívajících nejpřesnější fyzikální přístroje.
Chemický vzorec molekuly vody nemusí být H2O, tvrdí profesor Aris Chatzidimitriou-Dreismann z Technické univerzity v Berlíně. Alespoň ne v nesmírně krátkém časovém úseku, kdy na orbitech atomů vodíku a kyslíku, tvořících molekulu vody, probíhají dramatické kvantové jevy. Zkoumáme-li totiž molekuly vody ve světle interakcí s neutrony a elektrony, k nimž dochází v časovém rozmezí měřeném na attosekundy (1 attosekunda = 10 exp -18 sekundy), dojdeme k pozoruhodnému výsledku. Na základě nového experimentu, při němž neutrony a elektrony kolidují s molekulami vody v nepředstavitelně krátkém časovém úseku, lze říci, že poměr vodíku ke kyslíku v molekule vody bychom mohli vyjádřit jako 1,5 : 1. A tomuto poměru by odpovídal vzorec H1,5O. K těmto závěrům dospěly experimenty s využitím takzvaného „neutronového tříštění“, které začaly před osmi lety (první článek viz Physical Review Letters, 13 October 1997). Lze si ale „zdravým rozumem“ představit, že sloučeninu tvoří jeden a půl atomu, byť pouze v nesmírně malých zlomcích času? A může být poměr atomů ve sloučeninách v těchto nepřestavitelně krátkých časových úsecích odlišný od poměru, který známe z našeho „reálného“ světa? To je zřejmě nový rébus, jehož řešením se bude současná fyzikální chemie zabývat.
Zdravý selský rozum ve světle kvantové mechaniky dostává často na frak, to není nic nového. Když Aris Chatzidimitriou-Dreismann a jeho spolupracovníci tento závěr začátkem srpna tohoto roku publikovali v článku v prestižním vědeckém periodiku Physical Review Letters, vzbudilo to rozporuplné reakce v řadách chemiků, ba u laické veřejnosti přímo zděšení.
O typu chemické vazby, která „spájí“ atomy v dané molekule, rozhoduje povaha takzvaných valenčních sil, jimiž jsou částice k sobě poutány. Současná teorie chemické vazby vychází z kvantově mechanického modelu atomu a řeší otázky chemické vazby studiem chování elektronů v elektrostatickém poli atomových jader. Vědci sice mohou napsat Schrödingerovu rovnici i pro složitější molekuly, ale její přesné řešení není (prozatím) možné najít. Z tohoto důvodu se uchylujeme k metodám přibližného řešení, které přinášejí množství údajů o chemických vazbách v určitých látkách. Zda Aris Chatzidimitriou-Dreismann se svými novými pokusy posune poznání o něco dále, na to si ale budeme muset ještě pár let počkat. Na experimentu se kromě Chemického institutu při Technické univerzitě v Berlíně se podílejí i další vědecká pracoviště, Ústav pro atomovou a molekulární fyziku v australském Canberry, Fyzikální laboratoř v Edinburghu a Ruthefordova laboratoř v Oxfordshire.
Musíme ale poznamenat, že molekula vody i bez těchto zjištění a snadno vyhlížejícímu vzorci je z hlediska chemické vazby poměrně složitou záležitostí. Právě proto má ostatně voda řadu specifických vlastností, jejichž fatální důležitost pro život na planetě Zemi není třeba zdůrazňovat. V molekule vody, která má lomený tvar, vazby mezi atomy kyslíku a vodíku vznikají překryvem orbitů „p“ atomu kyslíku s orbity „s“ atomu vodíku, jejich vazebný úhel vysvětluje tzv. teorie hybridizace. Tato teorie vysvětluje jak vznik energeticky rovnocenných kovalentních vazeb z energeticky rozdílných orbitů daného atomu, tak umožňuje i předpovědět prostorové uspořádání atomů v molekule, které má přirozeně na vlastnosti látek značný vliv (podrobnosti o teorii hybridizace viz např. vysokoškolská učebnice Obecná chemie od Rudolfa Zahradníka). Lomený úhel, který mezi sebou svírá vazba H – O, je příčinou velkého dipólového momentu molekuly, který určuje mnohé vlastnosti vody.
Dalšími specifickými vlastnostmi se vyznačuje voda i proto, že ji vedle kyslíku tvoří právě atomy vodíku. Atom vodíku, jak je z jeho atomové stavby a tudíž i výlučného postavení v periodické soustavě prvků patrné, může být ve sloučeninách pouze jednovazný. Obsahuje totiž jeden elektron, který je v základním stavu vodíku v orbitu „1s“. Ostatní orbity atomu vodíku, jako „2s“, „2p“ jsou od orbitu „1s“ velmi vzdáleny, a proto i značně energeticky bohaté, takže jsou pro vytvoření běžných kovalentních vazeb nevhodné. Přesto však existují shluky molekul, v nichž se atom vodíku vyskytuje uprostřed dvou stejných nebo dvou různých atomů. Molekuly jsou v těchto případech vázány dalším druhem mezimolekulových sil, takzvanou vodíkovou vazbou (nebo též vodíkovým můstkem). Existence těchto mezimolekulových sil v H20 (a také v NH3 či HF) vysvětluje anomální teplotu varu vody (a uvedených látek) ve srovnání s teplotou varu hydridů dalších prvků odpovídajících skupin periodického systému.
Vodíková vazby vzniká u většiny sloučenin, které obsahují atom vodíku vázaný na atom kyslíku (nebo na atom fluoru či dusíku), tedy na atomy prvků o vysoké elektronegativitě, obsahující volný elektronový pár. V této vazbě je „centrální“ atom vodíku vázán jednak silně polární kovalentní vazbou v dané molekule, jednak vazbou vodíkovou k molekule další (což se obvykle značí tímto způsobem: – O – H … O – ). Látky, u kterých mezi jednotlivými atomy existují vodíkové vazby, vytvářejí shluky částic. Často tak vznikají dimery nebo polymery s lomenou strukturou, rovinnou nebo prostorovou. To je velmi dobře patrné na struktuře ledu.
Podstata vodíkové vazby byla objasněna až na základě kvantové mechaniky. Při pokusu o teoretický výpočet energie vodíkové vazby dostaneme totiž negativní hodnotu vazebné energie (odpudivé síly jsou větší než přitažlivé), pokud do této vazby zahrneme pouze elektrostatický charakter. Vypočtená hodnota vede automaticky k závěru, že vazba mezi těmito atomy nemůže existovat, což dříve muselo fyziky a chemiky uvádět v zoufalství. Teprve na základě kvantově mechanických interakcí se vědci dobrali výsledku, který se shodoval s experimenty.
Na mezimolekulové interakce atomů vodíku a kyslíku v molekulách vody působí jednak elektrostatické jevy, jednak jevy kvantově mechanické. Elektrostatické interakce mají podobný charakter jako tzv. van der Waalsovy síly, kvantově mechanické jsou poněkud jiného charakteru (donor-akceptorové interakce). Ke vzniku koordinačně kovalentní vazby mezi jednovazebným atomem vodíku a určitým prvkem sousední molekuly přispívá jednak existence silně polární vazby v molekule vody, jednak fakt, že atom vodíku má jako jediný prvek pouze jeden elektron. Odčerpáním vazebného elektronového páru k atomu s vyšší elektronegativitou vzniká na atomu vodíku „pseudovakantní orbit“, do něhož může atom vodíku přijmout elektronový pár od sousedního atomu. Přijetí elektronového páru do pseudovakantního orbitu „1s“ navíc podporuje i skutečnost, že vodík již nemá žádné elektrony a že takto obnažené jádro atomu silně přitahuje volný elektronový pár.
Z výše popsaných skutečností je patrné, že povaha chemické vazby v molekulách vody je poměrně složitá. To, co jsme ale ve stručnosti nastínili, jsou však všeobecně známé poznatky fyzikální chemie, které se závěry experimentů Arise Chatzidimitriou-Dreismanna nijak výrazně nesouvisí. O dalším vývoji pronikání do tajů chemických vazeb a reakcí z perspektivy kvantové mechaniky můžeme tedy dnes pouze spekulovat. Pravdou ale je, že tyto experimenty nám poskytnou hlubší vhled do podstaty fyzikálně chemických pochodů a že je vědecký svět bude sledovat se zájmem a zvýšenou pozorností.
Více informací:
Physical Review Letters
http://prl.aps.org
Poznámka Pavel Houser: Osobně úplně nechápu, kam by se v mezidobí "ztratilo" toho půl atomu vodíku, o ktere se liší nově objevený vzoreček od klasického (např. by mohla existovat jina modifikace vody H2,5O :-), přičemž jejich poměr by byl vždy 1 : 1 :-)).
