Jak vypadá kovová voda?

Jak by mohla vypadat kovová voda v nitru obřích planet?  Nedávno se povedlo v laboratoři zhotovit vodu s kovovými vlastnostmi. (délka blogu 3 min.)  

Experiment vypadá zajímavě. Z maličké trysky, umístěné ve vakuové komoře, pomalu kape slitina draslíku a sodíku. Oba kovy totiž vytvořily kapalnou směs. Během experimentu pak vědci do vakua zaváděli vodní páru. Obešli tím tak jednu problematickou vlastnost alkalických kovů (sodíku a draslíku): když se dostanou do vodního prostředí, reagují s vodou tak silně, že vyvolají silnou explozi. 

Jakkoliv je výbuch oblíbeným chemickým pokusem, během zmiňovaného experimentu dojde k něčemu ještě zajímavějšímu. Povrch tekutiny, vytvořené ze dvou alkalických kovů, se najednou začne zbarvovat zlatavě a později lehce zčervená. Pak se kapka odtrhne a spadne do dolní části experimentální komory. Na ústí trysky se vytvoří další kapka, která se začne rychle barvit zlatě. Co se tu vlastně stalo? 

Kovy

Kovy charakterizují některé typické vlastnosti: mají vysokou elektrickou vodivost která ovšem klesá s narůstající teplotou. Kromě toho vedou dobře teplo. Dají se poměrně snadno deformovat a na první pohled upoutají většinou vysokým leskem, takže se na nich dá pozorovat zrcadlení obrazu. 

Všechny tyto vlastnosti jsou způsobeny strukturou kovů. Atomy v kovech jsou uspořádány do mřížky. Své vnější elektrony (které jinak v látkách tvoří chemické vazby) pak vzájemně sdílejí. Jejich “chemické” elektrony se mohou materiálem volně pohybovat.

Není kov jako kov

Z toho mimochodem vyplývá, že jeden atom kovu sám o sobě kovové vlastnosti vykazovat nebude. Ty vznikají až tehdy, když je atomů kovu více, mohou se uspořádat do mřížky a disponují určitým množstvím volných pohyblivých elektronů. 

Mimo jiné to ovšem také znamená, že se při velice rychlém ochlazení tekutého kovu nemusí nutně tvořit kovová mřížka, ve které jsou atomy uspořádány pravidelně. Prudké ochlazení způsobuje, že atomy nemají dost času, aby našly své (přírodou zamýšlené) místo. V takovém materiálu pak budou atomy rozmístěny naopak chaoticky - vzniká kovové sklo. 

Kovy se dají vytvořit dokonce i z nekovových prvků, které si za běžných podmínek své valenční (za chemické vazby zodpovědné) elektrony ponechávají samy pro sebe. Dá se toho dosáhnout například pomocí vysokého tlaku. Typickým příkladem je vodík, který se nachází v nitru obřích planet - typu Jupitera. 

Kovová voda

Na Zemi se takové podmínky vytvářejí jen těžko. Na to, aby se mohla stát kovem běžná čistá voda, by byl například potřeba tlak 48 000 000x vyšší, než jaký panuje na povrchu naší planety. Tak vysoký tlak se zatím nepodařilo vytvořit ani při fyzikálních experimentech. 

Vědci, kteří chtěli vytvořit kovou vodu, si tedy museli si najít jinou metodu. Zvolili … v dnešní době tak oblíbené sdílení a dotaci. 

Během výše zmíněného experimentu se sdílejí elektrony, které patří skutečnému kovu, s tenoučkou vodní vrstvičkou. Ta je silná jen několik atomových vrstev. Elektrony z alkalických kovů tedy dotují materiál vody a vytvářejí v něm stejný stav, jaký pozorujeme u klasických kovů.. 

Jev se dá pozorovat nejen očima, ale také hlavně pomocí přístrojů, které jednoznačně potvrdily - v případě tenoučké vrstvy vody na kapce tekuté slitiny sodíku a draslíku - se skutečně jedná o kovový materiál s typickými kovovými vlastnosti. 

Co se vlastně stalo?

Ve vakuové komoře vědci vytvořili poměrně vysoké vakuum (kolem  10-4 milibarů). Vodní pára, kterou pak zavedli do experimentální komory, se začala srážet na vnitřních površích - mimo jiné také na kapce kovové alkalické slitiny. Tím se vytvořila tenoučká vrstva vody, která ovšem byla příliš nepatrná na to, aby způsobila (ve školních hodinách chemie tak oblíbenou) výbušnou reakci. 

Touto vrstvičkou vody pak pronikly elektrony z kovového materiálu kapky - a tím z ní vznikl materiál s kovovými vlastnostmi. Celý experiment je vidět na horním videu.

A kolik elektronů vlastně změnilo své bydliště a osídlilo vodní vrstvičku? Měření ukázala, že se v ní nachází zhruba  5 × 10 +21  elektronů na centimetr krychlový vodního materiálu. Pro srovnání u čistého sodíku je to 2,65 x 10 +22 na cm3 a u draslíku 1,40 x 10 +22 v krychlovém centimetru materiálu. 

Zdroje:https://qnap.e3.physik.tu-dortmund.de/suter/Vorlesung/Festkoerperphysik_WS16/5_Elektronen.pdf, https://www.nature.com/articles/s41586-021-03646-5