Co způsobuje tvorbu bublin při varu vody? |

Pokud jste někdy vařili vodu, pravděpodobně jste si všimli, že když se voda ohřeje, tvoří se velmi malé bublinky, které stoupají zdola nahoru. Zpočátku je bublinek málo, ale jak se voda zahřívá, začnou se tvořit další a další velké bubliny. Další zvýšení teploty vede ke vzniku ještě větších bublin, které se tvoří poměrně často a okamžitě stoupají nahoru. Tato eskalace dosáhne svého vrcholu, když se voda začne vařit.

Proč ale vařící voda tvoří bubliny?

Odpověď na tuto otázku souvisí s chemií samotné vody. Přesněji řečeno, je to způsobeno všemi látkami rozpuštěnými ve vodě a také povahou spojení mezi molekulami vody.

Chemické vlastnosti molekul vody

Každá molekula vody se skládá ze dvou atomů vodíku (H) a jednoho atomu kyslíku (O). Oba atomy H jsou kovalentně vázány na jeden atom O. Každý prvek v přírodě se snaží dosáhnout stavu s co nejnižší energií. Tohoto stavu je dosaženo ztrátou nebo ziskem elektronů pro dosažení nejbližší konfigurace vzácných plynů.

Atom kyslíku má ve svém valenčním (vnějším) obalu šest elektronů. Nejbližší vzácný plyn, neon, má ve svém valenčním obalu osm elektronů. O má tedy silnou tendenci získat dva elektrony a dosáhnout stabilní elektronové konfigurace (přejít do stavu s nejnižší energií). Vodík má ve svém valenčním obalu jeden elektron, zatímco nejbližší vzácný plyn, helium, má ve valenčním obalu dva elektrony. H má tedy tendenci získat jeden elektron k dosažení stabilní elektronové konfigurace.

Oba atomy H sdílejí jeden elektron s O a O dva elektrony, jeden s každým H. Jedná se o kovalentní vazbu. Kyslík má silnou tendenci k sobě přitahovat sdílené elektrony díky vlastnosti zvané elektronegativita. Elektrony tedy tráví více času v blízkosti atomu O než v blízkosti atomu H, což má za následek částečný záporný náboj na O a částečný kladný náboj na H.

Geometrie molekuly vody je taková, že se náboje neruší a dochází k oddělení nábojových center (polarizace). Když se dvě mírně polarizované molekuly vody přiblíží k sobě, částečně negativní O jedné molekuly přitáhne částečně pozitivní H druhé molekuly a vytvoří slabou mezimolekulární vazbu. Toto se nazývá vodíková vazba a je to síla zodpovědná za udržení molekul vody pohromadě.

Protože vodíková vazba je slabá, voda zůstává při pokojové teplotě kapalná a jak se teplota zvyšuje, molekuly mají více energie na překonání mezimolekulárních vodíkových vazeb. Při 100 °C je dostatek energie, aby se molekuly uvolnily.

Látky rozpuštěné ve vodě

Rozpouštění jedné látky v druhé je možné pouze tehdy, pokud existuje interakce mezi molekulami těchto dvou látek. Stejně tak některé plyny, jako je O₂, CO₂, N₂NH₃ a SO₂, se rozpouštějí ve vodě, protože existuje atraktivní interakce mezi molekulami vody a molekulami plynu.

Existují dva způsoby, jak se plyny rozpouštějí ve vodě: van der Waalsova vazba a vodíková vazba.

Heteronukleární molekuly (tj. mající atomy z různých prvků), jako je NH₃ nebo CO₂mají rozdíly v elektronegativitě mezi atomy. N a O jsou elektronegativnější než H a C, v tomto pořadí. N a O tedy zůstávají částečně záporné a H a C se stávají částečně kladnými. To vede k částečné polarizaci molekul NH₃ a CO₂.

Záporné konce (N a O) jsou přitahovány k částečně kladnému H vody; současně jsou kladné konce (H a C) přitahovány k částečně zápornému O vody. Toto je vodíková vazba. Čím polarizovanější je molekula plynu, tím lépe se rozpouští ve vodě.

Homonukleární molekuly (tj. mající atomy stejného prvku), jako je O₂ a N₂, nepolární a špatně rozpustné (velmi nízká rozpustnost) ve vodě. Slabé van der Waalsovy přitažlivé síly drží tyto plyny pohromadě s molekulami vody. Jsou mnohem slabší než interakce dipól-dipól.

Rozpustnost plynů ve vodě klesá s rostoucí teplotou.

Sled událostí, kdy se voda vaří

Vezmeme si kapalnou vodu pokojové teploty (25 °C). Při této teplotě je rozpustnost O₂ je 8,27 mg/l a CO₂ – 1,5 g/l. S rostoucí teplotou získávají molekuly plynu a vody více kinetické energie. Díky této energii je pro všechny molekuly snazší překonat mezimolekulární přitažlivost. Při teplotě 50 °C je rozpustnost O₂ klesá na 2,75 mg/l a rozpustnost CO₂ – až 0,75 g/l. Toto snížení rozpustnosti znamená, že molekuly plynu mohou překonat slabé mezimolekulární přitažlivosti. Protože hustota molekul plynu je nižší než hustota vody, stoupají nahoru ve formě bublin. Homonukleární molekuly, jako je N₂ a O₂, plavou při nízkých teplotách v důsledku slabých van der Waalsových sil. Další zvýšení teploty má za následek uvolnění bublin polárních molekul, jako je CO₂ a NH₃, které jsou drženy interakcí dipól-dipól.

Toto bublání pokračuje, dokud není dosaženo bodu varu vody. Ohřev vody neprobíhá zcela rovnoměrně, to znamená, že existují oblasti s vyššími a nižšími teplotami. Při teplotách nad 90 °C získávají některé molekuly vody u dna dostatek energie, aby vstoupily do plynné fáze. Vznikají oblasti plynné vody, o čemž svědčí obrovské bubliny stoupající ze dna. Navíc díky energetickému pohybu molekul konvekční ohřev ještě více zvyšuje teplotu. Při teplotě 100 °C mají téměř všechny molekuly vody dostatečnou kinetickou energii k přeměně do stavu páry a bubliny vodní páry začnou rychle stoupat!