Proč se sladká voda chová jako lepidlo?

Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Instagram, Threads, Bluesky a zde na Médiu.

Určitě jsme se všichni setkali s rozlitým slazeným nápojem, který bylo nutné rychle utřít, „aby to nelepilo“. Abychom pochopili proč, musíme se vydat na cestu za chemickými vazbami a konkrétně za vodíkovými můstky.

Nejdříve trochu teoretických základů. Pokud se na elektronegativní atom (takový, který má vysokou schopnost přitáhnout elektrony) váže vodík, vzniká mezi nimi polární vazba a vodík získává parciální (částečný) kladný náboj. Pokud takový částečně kladně nabitý vodík přijde do kontaktu s atomem, který má volný elektronový pár, může mezi nimi vzniknout vazba, která se nazývá vodíková vazba, nebo též vodíkový můstek.

Typickými partnery vodíku ve vodíkových vazbách jsou dusík, kyslík a fluor. Vodíkové vazby mohou vznikat mezi různými molekulami (intermolekulární) nebo v rámci jedné molekuly (intramolekulární). Jedná se o tzv. nekovalentní vazbu (tedy relativně snadno vzniká a zaniká, např. pouze zahřátím), která je zhruba 10× slabší než běžná kovalentní vazba (sdílení elektronů mezi dvěma atomy) [1]. Síla vodíkových vazeb je v jejich množství.

Vodíkové vazby jsou zásadní pro živé organismy, protože stojí za strukturou a fungováním biomakromolekul (bílkovin a nukleových kyselin), ale také zásadně ovlivňují chování vody a dalších molekul. Např. teplota varu vody, amoniaku a fluorovodíku (tedy sloučeniny vodíku právě s kyslíkem, dusíkem a fluorem, viz výše) je díky vodíkovým vazbám mnohem vyšší, než by měla být [2].

Mimochodem to, že se mokrý papír trhá mnohem lépe než papír suchý, je také dáno vodíkovými vazbami: voda naruší a převezme vodíkové vazby mezi jednotlivými vlákny celulosy (polysacharid, jedna z hlavních složek dřeva) v papíře. Oproti tomu pokud namočíte papír do alkoholu (ethanolu), tak k ničemu takovému nedojde, protože ethanol netvoří tak silné vodíkové vazby.

Abychom se dostali zpět k dotazu. Molekula sacharosy (běžně označována jako cukr) se skládá z 12 uhlíků, 22 vodíků a 11 kyslíků. Zhruba polovina vodíků je navázána na kyslících, takže mají parciální kladný náboj a mohou tvořit vodíkové vazby s jinými atomy. Pokud sacharosu rozpustíme ve vodě, dojde ke vzniku vodíkových vazeb mezi vodou a sacharosou a propojení mnoha molekul do sítí. Proto jsou roztoky s vysokým obsahem cukru, například i med, viskózní – táhnou se.

Pak se nabízí otázka, proč není lepivá a viskózní samotná voda, pokud je také schopna vytvářet vodíkové vazby. Je to proto, že voda může vytvořit maximálně čtyři vodíkové vazby (jednu přes každý vodík a dvě přes kyslík).

Oproti tomu sacharosa může tvořit až 16 intermolekulárních vodíkových vazeb [3] (další vodíkové vazby tvoří uvnitř molekuly, ale ty jsou v tomto případě nepodstatné), a tedy může vytvářet mnohem propojenější síť molekul. Při zaschnutí se pak molekuly sacharosy váží mezi sebou, a tím vytvoří takový chemický „suchý zip“, který lepí. Obdobně se pomocí vodíkových vazeb slepí po vysušení listy papíru.

Za Zeptej se vědce odpovídal Tomáš

Mgr. Tomáš Hluska, Ph.D., Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University

Odbornou revizi poskytla Ing. Kristýna Kantnerová, Dr. sc. ETH Zürich, University of Colorado Boulder, Geological Sciences & Institute of Arctic and Alpine Research

Odpověď editovali Luděk Vašta a Hedvika Šimková

[1] Bakalářská práce Voda, vypracovala Kateřina Marková, https://is.muni.cz/th/mbvdl/MASARYKOVA_UNIVERZITA.pdf

[2] https://vesmir.cz/cz/on-line-clanky/2014/07/struktura-anomalie-vody.html

[3] https://doi.org/10.1021/acsomega.9b02794

Projekt Zeptej se vědce propojuje vědeckou a nevědeckou veřejnost. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na webunebo sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram či Bluesky. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/1209422