Dotaz

Voda má vzorec H₂O, takže její molekula se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku. To ví každý, kdo na základní škole v hodinách chemie nehrál karty nebo Minecraft.

Jako správní přírodovědci se ovšem pojďme na vodu podívat trochu podrobněji. Kdybychom měli zázračnou lupu, s níž bychom viděli až dovnitř atomů, zjistili bychom zajímavé věci.

Připomeňme, že každý atom má uprostřed jádro a kolem něj obal tvořený záporně nabitými elektrony. Jádro je pak složené z takzvaných nukleonů – kladně nabitých protonů a nenabitých neutronů.

Všechny atomy jednoho chemického prvku mají stejný počet protonů (a elektronů, které vyrovnávají jejich elektrický náboj). Tak třeba v jádře kyslíku je vždycky 8 protonů.

Ale pozor! Většina prvků vytváří několik izotopů, které se od sebe liší počtem neutronů. Například kyslík, který dýcháme, obsahuje izotopy s 8, 9 nebo 10 neutrony.

Když potřebujeme izotopy některého prvku jednoznačně pojmenovat, aby se nám nepletly, píšeme před chemickou značku vlevo nahoru číslo udávající celkový počet nukleonů v jádře:

¹⁶O – kyslík; 8 protonů + 8 neutronů (= 16 nukleonů); 99,76 % kyslíku na Zemi

¹⁷O – kyslík; 8 protonů + 9 neutronů (= 17 nukleonů); 0,04 % kyslíku na Zemi

¹⁸O – kyslík; 8 protonů + 10 neutronů (= 18 nukleonů); 0,20 % kyslíku na Zemi

Také vodík má několik izotopů. V přírodě najdeme tři z nich. Mají dokonce své vlastní názvy a chemické značky:

¹H – „lehký“ vodík, někdy nazývaný protium; 1 proton; 99,98 % vodíku na Zemi

²H – deuterium, alternativní chemická značka D; 1 proton + 1 neutron; 0,02 % vodíku na Zemi

³H – tritium, alternativní chemická značka T; 1 proton + 2 neutrony; na Zemi ve stopovém množství

„Lehký“ vodík a deuterium jsou stabilní. Tritium je radioaktivní s poločasem rozpadu 12,32 let (za tuto dobu se rozpadne polovina jader ve vzorku).

Naší zázračnou lupou bychom viděli, že v kapce vody drtivě převažují molekuly H₂¹⁶O. Občas bychom ale potkali různé exoty – H₂¹⁸O, D₂¹⁷O, HD¹⁶O a další.

Jedním z takových exotů je právě těžká voda. Ta má na rozdíl od obyčejné vody v molekule dva atomy deuteria místo dvou atomů lehkého vodíku. Její chemický vzorec je tedy D₂O. Izotopy kyslíku teď nemusíme řešit, stejně se v přírodě vyskytuje skoro výhradně ¹⁶O.

Z obyčejné vody, která obsahuje asi jednu molekulu s deuteriem na 3 200 molekul s lehkým vodíkem, se dá různými postupy získat čistá těžká voda. Na první pohled vypadá úplně stejně jako její „lehká“ sestřička H₂O. Za pokojové teploty je to čirá kapalina bez barvy, chuti a zápachu. Svými fyzikálními a chemickými vlastnostmi se ovšem poněkud liší.

Příčina je celkem zřejmá. Deuterium má oproti lehkému vodíku v jádře jeden neutron navíc, jeho jádro je tedy zhruba dvakrát těžší. Při dvou atomech deuteria na molekulu to znamená, že molární hmotnost těžké vody je 20,03 gramů na mol – oproti 18,02 g/mol u „lehké“ vody.

Takový rozdíl musí logicky změnit hustotu či jiné fyzikální parametry.

Naopak chemické vlastnosti určuje v první řadě elektronový obal. Lehký vodík i deuterium mají jeden elektron, takže po chemické stránce by se měly chovat stejně.

Vlastnosti elektronů a vazeb v molekulách ale částečně ovlivňuje také hmotnost jádra. Těžká voda se proto i chemicky trochu liší od vody „lehké“.

Shrňme si teď hlavní rozdíly mezi našimi dvěma vodami:

Těžká voda je tedy opravdu těžká. Nejen že obsahuje „těžší“ izotop vodíku, ale může se pochlubit i vyšší hustotou. To platí jak o kapalné vodě, tak o jejím ledu.

Těžký led připravený z D₂O taje až při 3,8 °C a při 0 °C má hustotu asi 1,02 g/cm³ – trošku větší, než má za stejné teploty normální kapalná voda. V ledově studené obyčejné vodě díky tomu nastává zvláštní jev. Když do ní hodíte kus těžkého ledu, klesne ke dnu a netaje.

Byl by to skvělý trik na silvestrovskou párty. Ale raději ho nezkoušejte, i kdyby se vám nějak podařilo sehnat těžkou vodu. Je totiž jedovatá, což souvisí s rozdíly v chemických vlastnostech mezi ní a běžnou vodou, kterou pijeme.