Spevným skupenstvím vody, tedy s ledem, se setkáváme v průběhu celého roku. V zimě ho občas máme až přespříliš, v létě je naopak vítaným doplňkem celé řady nápojů. Zatímco v zimě se ledu snažíme zbavit solením, v létě můžeme sůl k ledu přidat, abychom jeho chladivý účinek ještě zvýšili. Nevěříte? Pak si vše raději vyzkoušejte sami a namíchejte si starou zmrzlinářskou směs, pomocí které zmrzlináři chladili své vozíky.
Zabalte do utěrky několik větších kostek ledu a pomocí kladívka či paličky je opatrně rozdrťte na ledovou tříšť. Nasypte nadrcený led do misky a zasuňte do něj teploměr. Teplota záhy poklesne na hodnotu pod bodem mrazu. Zpočátku totiž záleží na tom, jak nízká byla teplota uvnitř mrazáku, kde byl led umístěn. Ovšem jakmile se část ledu rozpustí na vodu, vzroste teplota směsi na 0 °C. Na této hodnotě se bude držet až do okamžiku, než roztaje poslední ledový úlomek.
Je to způsobeno tím, že se veškeré teplo, které směs z okolí přijme, spotřebuje na rozpouštění ledu. Teplota se proto ustálí na hodnotě 0 °C, která se označuje jako teplota tání (bod mrazu) vody. Za této teploty mohou vedle sebe existovat voda i led současně.
Něco jiného se však stane, když do misky s ledem přidáte kuchyňskou sůl (chlorid sodný). Opět si připravte misku ledové tříště, tentokrát však vytvořte směs složenou ze tří dílů ledu a jednoho dílu soli. Dobře ji promíchejte a zasuňte do ní teploměr. Můžete zkusit přidat i malé množství studené vody. Pokles teploty bude nejen výraznější, ale také trvalejší. Je možné, že dosáhnete až -15 °C. Podobná ledová směs se v minulosti používala nejen k chlazení zmrzlinářských vozíků.
Vodíkové můstky Znamená to tedy, že se silničáři snaží zimní namrzlé vozovky ještě více ochladit? Určitě ne! Musíme se podívat na to, jak vlastně vypadá voda na mikroskopické úrovni. Molekula vody je složena z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku. Tuto skutečnost hezky vystihuje i dobře známý chemický vzorec vody H2O. Kyslíkový atom je uprostřed molekuly a atomy vodíku jsou navázány po jeho stranách. Atomy však nejsou rozmístěny v řadě za sebou, ale jakoby ve vrcholech trojúhelníku. Molekula tudíž není lineární, ale lomená.
Ještě větší význam ale má rozložení slabého elektrického náboje v okolí atomů vodíku a kyslíku. Zatímco vodíkové atomy vykazují kladný charakter, kyslík je naopak záporný. To vede k tomu, že se molekuly vody vzájemně přitahují. Vznikají mezi nimi slabé vazby, tzv. vodíkové můstky, které se tvoří mezi vodíkovým atomem jedné molekuly a kyslíkovým atomem druhé molekuly. I když není vodíková vazba příliš pevná, má zásadní vliv na některé vlastnosti vody, jako je například hustota.
S klesající teplotou hustota vody roste, takže se chladnější voda obvykle nachází pod vodou teplejší. To zná ostatně každý, kdo se někdy koupal v jezeře či rybníce. Při teplotě kolem 4 °C dosáhne voda své maximální hustoty. Další pokles teplot ovšem způsobí něco nečekaného. Hustota vody totiž začne klesat. Mohou za to vodíkové vazby, které při teplotách nižších než 4 °C nutí molekuly vody vytvářet šestiúhelníková uskupení. To má vliv na krystalickou strukturu ledu, ve které jsou od sebe molekuly vody dále než v kapalné fázi. Díky tomu má led menší hustotu než kapalná voda. Ne nadarmo se tomuto chování říká anomálie vody. U většiny látek totiž s klesající teplotou hustota roste. Jen si představte, co by se dělo, pokud by měl led větší hustotu než voda. Neplaval by na hladině, klesal by ke dnu a řeky či moře by mohly zcela zamrznout!
Snížení hustoty ledu při teplotách pod nulou má ještě jeden význam - objem vzniklého ledu je větší než objem původního množství vody, které zmrzlo. Zkuste naplnit pevnější plastovou tubu (například od šumivých vitaminů) až po okraj vodou a nechte ji zmrznout. Objem vytvořeného ledu bude přibližně o desetinu větší než původní objem vody. Pokud byste podobným způsobem zmrazili sklenici, která bude plná vody a bude důkladně uzavřená, led se nebude mít kam rozpínat a sklenici bez milosti roztrhne. Proto skleněné lahve s vodou do mrazničky nepatří.
Pomocník cestářů i zmrzlinářů Vraťme se však k naší záhadě se silničáři a solením ledu. Jakmile se sůl dostane do kontaktu s vodou, začne se rozpouštět a do roztoku se uvolní ionty sodíku a chlóru. Kolem těchto iontů se začnou shlukovat molekuly vody, což negativně ovlivní tvorbu vodíkových můstků, bez kterých se ovšem tuhnutí vody při 0 °C neobejde.
Slaný roztok má proto teplotu tuhnutí až pod bodem mrazu. Sůl tedy usnadňuje tání ledu a brání opětovnému zamrzání rozpuštěné vody i při dalším poklesu teplot. A právě této skutečnosti využívají silničáři.
Pokud však má led smíchaný se solí roztát, musí získat dostatečné množství tepla (energie). Jelikož je toto teplo odebíráno přímo ze směsi vody a soli, je vedlejším efektem posoleného ledu postupné ochlazování tající směsi, z čehož mají radost zase zmrzlináři.
***
ZMRZLINÁŘEM V KUCHYNI
Pomocí soli a ledové tříště si můžete jednoduše připravit směs, kterou dříve používali zmrzlináři k chlazení svých vozíků.
Pomůcky a chemikálie utěrka kladívko miska pevnější plastová tuba, lžička kuchyňská sůl (chlorid sodný) teploměr voda led
Kostky ledu zabalte do utěrky
Kostky rozdrťte pomocí kladívka nebo paličky na ledovou tříšť
Zasuňte do ledové tříště teploměr a počkejte, až led mírně roztaje. Teplota směsi se bude pohybovat kolem 0 °C.
Pokud přidáte k tající ledové tříšti i několik lžic soli, teplota směsi může poklesnout až na -15 °C
Schematické znázornění molekuly vody s atomem kyslíku (modře) a dvojicí atomů vodíku (červeně)
Molekuly vody jsou k sobě poutány vodíkovými vazbami (přerušované čáry)
Voda při mrznutí zvětšuje svůj objem: Na fotografii je u ústí tuby patrný červený led, který byl z tuby plné vody (obarvené sirupem) vytlačen poté, co její obsah zmrznul
O autorovi| Autor je chemik a pracuje ve Hvězdárně a planetáriu Mikuláše Koperníka v Brně
