| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Nejzáhadnější molekula vesmíru
Rudolf Mentzl
Nejtajemnější molekula ve vesmíru by si jistě zasloužila dlouhý nevyslovitelný název zabírající minimálně dva až tři řádky normalizovaného textu. Užitím pravidel tvorby chemického názvosloví bychom určitě na nějaké pojmenování připadli, ale i ortodoxní chemici by ho zamítli. Bylo by pro ně zbytečně komplikované. Většině jazyků, starou keltštinou počínaje, přes latinu až po umělé esperanto, stačí k vyslovení pouhé dvě slabiky. Česky se té látce říká voda.
Snad proto, že je voda tak snadno dostupná levná tekutina a bereme ji jako samozřejmost, neuvědomujeme si její exotické vlastnosti. Je to látka s jednou z největších hodnot měrného tepla, při ochlazování nejprve hustotu zvyšuje a pak ji naopak snižuje, vysvětlit bumerangovitý tvar její molekuly bylo možné až teprve po rozvinutí kvantové teorie elektromagnetického pole (a pochopení tvaru jednotlivých orbitalůOrbital – oblast v atomárním či molekulárním obalu, kde se vyskytuje elektron. Pravděpodobnost výskytu elektronu v orbitalu je rovna druhé mocnině velikosti komplexní vlnové funkce.), dokáže krystalizovat osmnácti různými způsoby, má tři amorfní fáze, tři fáze superionického leduSuperionický led – fáze vodního ledu za vysokých tlaků, v níž se vytvoří krystalická mříž z atomů kyslíku a v ní se volně pohybují vodíkové atomy. Superionický led byl nejprve předpovězen numerickými simulacemi (1999) a v roce 2005 byl uměle připraven v Lawrencově národní laboratoři v Livermoru. Dnes jsou známy tři typy superionického ledu. a nyní se zdá, že i kapalná či plynná fáze může být dvojího typu.
Molekuly orto (souhlasně orientované modré šipky spinů vodíku) a para (opačně orientované červené šipky spinů vodíku) vody reagují s molekulami diazenyliaDiazenylium – jedna z prvních molekul (N2H+) objevených v mezihvězdném prostoru. Díky její afinitě k plynnému oxidu uhelnatému se využívá k jeho detekci ve vzdáleném vesmíru. (vykresleny modře). Zdroj: University of Basel, Department of Chemistry.
|
Izomery – chemické sloučeniny se stejným sumárním vzorcem, ale lišící se prostorovým uspořádáním. V některých případech se izomery mohou lišit pouze orientací spinu některých atomů v molekule. Ortovoda – forma vody, jejíž molekuly obsahují atomy vodíku se shodně orientovanými spiny. Paravoda – forma vody, jejíž molekuly obsahují atomy vodíku s opačně orientovanými spiny. Diazenylium – jedna z prvních molekul (N2H+) objevených v mezihvězdném prostoru. Díky její afinitě k plynnému oxidu uhelnatému se využívá k jeho detekci ve vzdáleném vesmíru. |
Není voda jako voda
Na první pohled to vypadá podezřele. Vazby mezi molekulami v kapalné fázi jsou velice volné, těžko tu mluvit o dvou formách. Ta dvojí tvář se však vyskytuje již na molekulární úrovni. Atomy vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. mohou mít v molekule souhlasně či nesouhlasně orientované spinySpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole.. Pak mluvíme o ortovoděOrtovoda – forma vody, jejíž molekuly obsahují atomy vodíku se shodně orientovanými spiny. (souhlasné spiny) nebo o paravoděParavoda – forma vody, jejíž molekuly obsahují atomy vodíku s opačně orientovanými spiny. (nesouhlasné spiny). Jakkoli se může zdát podezřelé, že by takový detail mohl mít vliv na chování molekuly, podrobná analýza ukazuje, že má. Již v roce 2002 ruští fyzici prokázali, že paravoda snáze kondenzuje než ortovoda. Nyní se týmu vědců z Basilejské univerzity, pod vedením profesora Stefana Willitsche, podařilo ukázat, že orientace spinů může ovlivnit i rychlost chemické reakce.
Jakékoli pokusy s orto a para vodou jsou velice komplikované, protože není snadné od sebe oba izomeryIzomery – chemické sloučeniny se stejným sumárním vzorcem, ale lišící se prostorovým uspořádáním. V některých případech se izomery mohou lišit pouze orientací spinu některých atomů v molekule. oddělit a hlavně jejich izomerii udržet. Orientace spinů v rámci jedné molekuly je neměnná. Zákony kvantové mechaniky nedovolují, aby jeden ze spinů spontánně změnil orientaci. Ukazuje se však, že mezi jednotlivými molekulami dochází k doposud neozřejmeným interakcím, které dokáží izomerii molekul ovlivnit. V praxi tak nemůžeme mít na laboratorním stole láhev označenou ortovoda nebo paravoda a myslet si, že viněta mluví pravdu. Obsažená voda bude vždy roztokem obou izomerů.
Experimentální potvrzení
Willitschův tým obešel tento problém tak, jak se v částicové fyzice mnoho problémů obchází – hlubokým zmrazením a vysokým naředěním. Řídkou vodní páru podchlazenou na teplotu blízkou absolutní nule, smíchanou s argonemArgon – prvek patřící mezi vzácné plyny, které tvoří necelé 1 % zemské atmosféry. Jde o nereaktivní bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Objev argonu je oficiálně připisován lordu Rayleighovi a Williamu Ramsayovi, kteří ho detekovali roku 1894. Jako inertní atmosféra se využívá v metalurgii, při balení potravin, v plazmových technologiích i ve výbojkách. nechali tryskat nadzvukovou rychlostí komorou deflektoru. Elektrody pod napětím 15 kV vytvořily elektrostatické pole s velkým svislým gradientem, který dokázal oddálit oba vodní izomery a rozdělit vodní paprsek na dva. Ty byly posléze nasměrovány do iontových pastí, kde už na ně číhaly páry diazenyliaDiazenylium – jedna z prvních molekul (N2H+) objevených v mezihvězdném prostoru. Díky její afinitě k plynnému oxidu uhelnatému se využívá k jeho detekci ve vzdáleném vesmíru..
Silné elektrostatické pole separuje proud podchlazených molekul vody a vhání je do iontové pasti s diazenyliovou atmosférou. Zdroj: Nature Communications.
Diazenylium je jednoduchá molekula tvořená dvěma atomy dusíku a jedním atomem vodíku. Vodík nedrží v tomto svazku příliš dobře a při setkání s vodou velice ochotně změní hostitele. Právě pro tuto ochotu byla pro pokus zvolena tato molekula, která vstupuje do reakci i za tak nízkých teplot, jaké panovaly v experimentu.
H2O + N2H+ → N2 + H3O+
Rychlost reakce vody s diazenyliniem se následně vyhodnocovala hmotnostním spektrometrem a ukázalo se, že paravodaParavoda – forma vody, jejíž molekuly obsahují atomy vodíku s opačně orientovanými spiny. reaguje o 23 % rychleji než ortovodaOrtovoda – forma vody, jejíž molekuly obsahují atomy vodíku se shodně orientovanými spiny.. Počítačové simulacePočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů., jejichž předpovědi jsou v souladu s výsledky pokusu, ukazují, že celkový spin ovlivňuje rotaci molekuly a s tím i další silová působení. Praktické využití jevu se zatím neočekává, ale vědci doufají, že podobnými experimenty pomohou odhalit další rozdíly mezi oběma formami vody a potvrdit nebo zpochybnit teorii, která tyto efekty předvídá. Je také možné, že tento experiment pootevřel nové okno do vesmíru. Molekuly vody i molekuly dyazenylia patří v mezihvězdném prostoru mezi ty častější. Díky excitaci ultrafialovým světlem je lze detekovat a z rychlostí jejich vzájemných reakcí usuzovat na hustotu oblaku a na poměr mezi oběma formami vody.
Video ukazující separací orto a paravody prováděnou na Sherbrookské univerzitě.
Zdroj: P. A.
Turgeon, Université de Sherbrooke, FreeBackgroundMusic.
Odkazy
- Ardita Kilaj, Hong Gao, Daniel Rösch, Uxia Rivero, Jochen Küpper & Stefan Willitsch: Observation of different reactivities of para and ortho-water towards trapped diazenylium ions; Nature communication, 29 May 2018
- Para-Wasser und Ortho-Wasser sind 2 verschiedene Flüssigkeiten; Zeitundwelt, 04 Jun 2018
- Water is not the same as water; University of Basel, 29 May 2018
