К воде прочно прилип ярлык уникального вещества. Это единственное вещество, все три агрегатных состояния которого мы можем наблюдать в естественных условиях. Плотность воды с изменением температуры меняется необычным образом, причем лёд легче, чем жидкая вода. Вода имеет аномально высокие температуры кипения, плавления, теплоемкость. Любое живое существо содержит более 50 % воды по массе, а некоторые – до 99 %! Многие считают, что именно благодаря наличию воды на Земле стала возможной жизнь. Что же позволило воде выйти на первую строчку хит-парада самых важных веществ?
Уникальное строение молекулы
Атомы водорода в молекуле воды находятся с атомом кислорода вовсе не на одной прямой, как можно было бы предположить из соображений симметрии. Связи О–Н образуют угол 104,5 градуса:
Дело в том, что вокруг атома кислорода в молекуле воды находятся не только электроны двух связей О–Н, но и еще две пары электронов. Все эти электронные пары отталкиваются друг от друга, поскольку отрицательно заряжены, вот и возникает такая конфигурация.
Аналог воды – сероводород H2S – таким строением не обладает. Углы между связями в нем близки к 90 градусам. Что из этого следует? Например, то, что рецепторы организма воспринимают эти молекулы совершенно по-разному. Сероводород имеет неприятный запах, а пары воды не пахнут совсем.
Сильная полярность
Еще одно отличие: связь H–S слабо полярна , и в молекуле H2S почти нет разделения зарядов, электроны находятся примерно посередине между атомами водорода и серы. А полярность связи Н–О очень высока, ведь атом кислород обладает очень высокой электроотрицательностью и перетягивает общие электроны на себя. На атоме О возникает частичный отрицательный заряд d–, а на атомах Н – частичный положительный заряд d+. Проще говоря, молекула представляет собой диполь:
Диполи притягиваются друг к другу разноименно заряженными концами, причем связь О–Н настолько полярна, что это взаимодействие очень сильное. Его называют водородной связью. Не будь водородной связи, вода кипела бы не при 100 градусах, а при… минус 120! Вода была бы при обычных условиях газом, как сероводород.
Диполи воды способны эффективно притягивать и другие заряженные или частично заряженные частицы, именно поэтому они так ловко растаскивают кристаллы на отдельные полярные молекулы либо ионы – происходит растворение. Вода – отличный растворитель. Правда, неполярные и малополярные вещества растворяются в воде плохо: диполям воды там просто не к чему притянуться. Например, бензин, состоящий из малополярных молекул, не смешивается с водой.
Уникальная теплоемкость
Водородная связь обеспечивает очень высокое значение теплоемкости воды: 4,18 Дж/(K*г). Это значит, что для того, чтобы нагреть один грамм воды на один градус, необходимо передать этому грамму воды 4,18 Дж энергии. Это абсолютный рекорд, теплоемкость жидкостей и твердых веществ лежит обычно в интервале 0,1-2,5 Дж/( K*г). Значительная часть тепла, передаваемого воде, расходуется на разрыв водородных связей.
Высокая теплоемкость приводит к тому, что вода остывает и нагревается с заметным трудом. Медленно остывая осенью и постепенно отдавая аккумулированное тепло и медленно нагреваясь весной, водные массы планеты смягчают переход от лета к зиме и от зимы к лету. Поэтому в местностях, примыкающих к морям, и на островах более мягкий и «смазанный» климат, чем контрастный климат центральных областей материков.
Высокое поверхностное натяжение
Значительное взаимодействие между молекулами воды – причина ее высокого поверхностного натяжения (в этом параметре вода уступает только ртути). Молекулы на поверхности жидкости испытывают притяжение только со стороны жидкости, и каждая «плавающая» на поверхности молекула как бы втягивается своими соседками внутрь слоя жидкости. Именно поэтому в невесомости жидкости приобретают форму шара. У воды поверхностное натяжение равно 72 мН/м при комнатной температуре. У этилового спирта оно в 3,5 раза меньше. Благодаря поверхностному натяжению воды можно налить в чашку чай «с горкой»: если делать это медленно и аккуратно, то можно увидеть, что поверхность жидкости образует крохотный купол над краями чашки. Со спиртом такой номер уже не пройдет!
Уникальная структура кристаллов
В твердом состоянии каждая молекула воды образует ровно четыре водородных связи с соседними молекулами. Эти связи направлены под строго определенными углами, диктуемыми строением молекулы. В результате получается рыхлый ажурный каркас:
Именно из-за такой рыхлой структуры плотность льда меньше плотности жидкой воды. Благодаря этому лед не тонет, защищая водоемы от промерзания. При таянии каркас частично разрушается, некоторые молекулы воды покидают свои места и переходят в пустоты, поэтому плотность при плавлении льда увеличивается:
На рисунках выше ясно видно, что основным элементом структуры льда является неплоский шестиугольник из шести молекул воды. Эта структура проявляется во внешнем виде кристаллов воды – снежинок, в их основе всегда лежит шестиугольник. Вот как выглядят снежинки в электронном микроскопе (представление о масштабах изображения можно получить из подписи в правом углу фотографии):
Если вам было интересно - ставьте плюсик. Пишите в комментариях, о чем еще рассказать.
Другие публикации:
про сахар
про соль
про соду
про газ
про иод
про кислород
про крахмал
про ртуть
про алюминий
