Вопрос о том, почему вода жидкая, только на первый взгляд кажется простым. Очень сложно объяснить, почему вода испаряется с образованием пара и замерзает, превращаясь в лёд. В данной публикации я приведу мнение современной физики по этому вопросу.
В физике принято выделять четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. Интересно, что древние мыслители также выделяли четыре первоосновы вещества, которые можно интерпретировать как агрегатные состояния: земля (камень), вода, воздух и огонь.
В данной публикации рассмотрим три наиболее знакомых и понятных со школы агрегатных состояния: газообразное, жидкое и твердое. Агрегатные состояния можно классифицировать по способности вещества сохранять форму или объем тела (Таблица 1).
В газообразном состоянии вещество не сохраняет ни форму, ни объем.
В жидком состоянии вещество сохраняет объем, но не сохраняет форму.
В твердом состоянии вещество сохраняет как форму, так и объем.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества агрегатные состояния вещества характеризуются величиной сил отталкивания и притяжения между молекулами вещества (Таблица 2).
В газообразном состоянии (идеальный газ) отсутствуют силы отталкивания или притяжения между молекулами вещества.
В жидком состоянии силы отталкивания между молекулами вещества очень большие, а силы притяжения невелики.
В твердом состоянии силы отталкивания и силы притяжения между молекулами вещества очень большие.
С газом все просто. Нет никаких сил взаимодействия между молекулами, следовательно, и вопросов никаких нет. Летают какие-то молекулы, сталкиваются между собой, отскакивают и летят дальше. Сплошная кинематика.
А вот в жидкостях и твердых телах между молекулами действуют некие силы. Что это за силы? Из всех известных фундаментальных взаимодействий на роль этих сил претендует только электромагнитное взаимодействие. Вопрос усложняется тем, что атомы электрически нейтральны.
Да, атомы нейтральны и сферически симметричны, но молекулы вполне могут иметь неравномерное пространственное распределение заряда и рассматриваться как диполи. Взаимодействие между этими диполями может объяснить свойства жидкостей. Рассмотрим, как формируются диполи.
Все виды атомов характеризуются электроотрицательностью.
Эле́ктроотрица́тельность — фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары, т.е. способность атомов притягивать к себе электроны других атомов.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Электроотрицательность
За счет этого, в молекуле воды отрицательный заряд смещается от атомов водорода к атому кислорода, и молекула воды может рассматриваться как электрический диполь.
Между диполями существуют силы электростатического притяжения, приводящие к образованию межмолекулярных связей, которые называются водородной связью.
Водородная связь — форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Водородная_связь
Водородная связь отвечает за взаимное притяжение между молекулами воды. Благодаря этим связям молекулы воды образуют вещество, имеющее свойства жидкости. В жидкой фазе молекулы воды формируют кластеры, представляющие собой упорядоченные структурированные группы молекул. Эти кластеры имеют размеры, зависящие от физических условий. Кластеры являются нестабильными структурами. Молекулы воды могут разрывать одни водородные связи и образовывать другие.
При нагревании воды энергия молекул увеличивается. При температуре выше ста градусов по Цельсию (при атмосферном давлении) молекулы имеют энергию, достаточную для разрушения водородных связей. При этом молекулы воды переходят в пар, являющийся газообразной формой воды. При охлаждении водяного пара энергия молекул уменьшается, и они опять переходят в жидкую форму за счет образования водородных связей.
С кипением воды и конденсацией вроде всё понятно. А вот почему при дальнейшем охлаждении воды образуется лёд?
Современная физика считает, что за состояние воды в форме льда отвечает водородная связь. То есть, водородная связь отвечает за состояние воды в виде жидкости и твердого тела.
Но как такое может быть? Водородная связь характеризуется определенным значением энергии. Для воды она равна примерно 21,5 кДж/моль. То есть, если энергия молекул воды больше этого значения, то связь разрушается, а если меньше, то сохраняется. Поэтому при достижении температуры кипения межмолекулярные связи разрываются. Вода превращается в пар. Такое значение энергии связи характеризует точку кипения. Точка замерзания (или плавления) характеризуется другой температурой и другим, более высоким уровнем энергии. Этот уровень энергии обеспечивается другим видом межмолекулярного взаимодействия. Но современная физика ничего не говорит об этом взаимодействии.
Причина моего неприятия общепринятого объяснения свойств воды заключается в том, что один вид межмолекулярного взаимодействия характеризуется одним уровнем энергии, и не может отвечать за два вида фазовых переходов, характеризующихся разными уровнями энергии.
Поэтому я считаю, что наличие водородной связи не может объяснить кипение и замерзание воды. Жидкая и твердая фаза воды обусловлены разными видами межмолекулярного взаимодействия.
Однако если читателей устраивает общепринятое объяснение свойств воды наличием исключительно водородных связей, то они могут не знакомиться с моей версией строения вещества в следующих публикациях.