Proč má led větší objem než voda?

Jistě máme všichni tu neblahou zkušenost (ať už z dětství, či z věku zralejšího) kdy jsme na mráz ve skleněné nádobě umístili vodu či tekutinu vodu obsahující a pak už jsme jen koukali, co všechno dovede rozpínající se led.A pravděpodobně každého v tu chvíli napadlo... co to k čertu bylo. Vždyť když něco přechází z kapalného skupenství do tuhého, tak snad přechází do formy „kondenzovanější“ a tedy by to mělo mít větší hustotu a tedy při stejné hmotnosti menší objem. Ale ouha – voda je mocná čarodějka a umí několik triků. Třeba i to, že největší hustotu má v kapalném stádiu a to při 4°C. Co tedy za tím vším vězí?!

Vinu hledejme na bedrech vodíkových můstků – pojem hezký, není-liž pravda – ale co to je takový vodíkový můstek? Takže máme molekulu vody – H2O. Čili 2 vodíky a jeden kyslík. A o kousek dál si lebedí další molekula vody H2O. Ačkoliv obě tyto molekuly mají všechny vazby vyplýtvány, a proto se nemohou vázat k ničemu jinému, přeci jen mohou být lehce vázány k sobě navzájem. Nikoliv však klasickou vazbou (přeci jsme si řekli, že už žádnou nemají). Jde o to, že kyslík v molekule vody krade vodíkům jejich elektrony... kyslík se tak stává záporně nabitým a vodíky kladně nabitými. A když se tedy potkají dvě molekuly vody, tak kladně nabitý vodík z jedné molekuly je přitahován záporně nabitým kyslíkem molekuly druhé (a protože jsou v molekule vody dva vodíky, může být takto přitahována ještě jedna další molekula vody). A tak jsou obě (resp. klidně tři) molekuly vzájemně vázány skrze kladně nabitý vodík. Proto to označení vodíkový můstek.

Čili abychom vše zjednodušili – máme tři koule: dvě záporně nabité a uprostřed mezi nimi jednu kladně nabitou....a tím že jsou obě záporně nabité koule přitahovány k prostřední kladně nabité,  je mezi nimi vytvořena jakási slabá pseudo-vazba. A právě touto slabou vazbou je držena pohromadě krystalická struktura ledu. Mezi molekulami mohou být tedy velké rozestupy protože je vodíkový můstek udrží pohromadě. Voda se při tuhnutí v led tedy rozepne právě díky tomu, že se molekuly rovnají s velkými mezerami mezi sebou. Kdyby vodíkové můstky nebyly, musely by molekuly vody být natěsnány blíže k sobě aby vytvořily pevný krystal. S tím také souvisí fakt, že při 4°C má voda nejvyšší hustotu. Zkrátka, jak se led postupně rozpouští a vodíkové můstky jsou rozrušovány, mohou se molekuly vody více přiblížit – více se „zhustit“. Nejhustěji na sobě jsou pak právě při 4°C. Když pak teplotu zvyšujeme více, tak už mají zase molekuly příliš energie a rozutíkají se od sebe, čímž se nahuštění molekul sníží a hustota zase začne klesat. A to je, přátelé, celé tajemství životadárné tekutiny.

[MK 22.2.2011]