Вы наливаете чай, бросаете кубик льда, видите, как он плавает, и не задумываетесь: это чистейшая аномалия. Единственное вещество на Земле, которое в твёрдой фазе легче, чем в жидкой. Если бы лёд тонул — как ведут себя практически все остальные вещества в твёрдом состоянии — океаны промерзали бы до дна, и жизнь, скорее всего, никогда не возникла бы. Вода нарушает правила. И это только начало списка её странностей.
Начнём с того, что вода — это просто H₂O. Два атома водорода, один кислорода. Проще некуда. Но эта простота обманчива. Молекула воды имеет изогнутую форму — угол между связями 104,45 градуса. Из-за этого у неё есть два полюса: отрицательный (кислород) и положительный (водород). Это делает воду полярной молекулой — мощнейшим диполем. Именно полярность объясняет большинство её аномалий. Как писал химик и лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг: «Вода — это уникальный растворитель, потому что её молекулы могут образовывать до четырёх водородных связей одновременно» (Pauling, «The Nature of the Chemical Bond», Cornell University Press, 1960).
Эти водородные связи — ключ к аномалиям. Между молекулами воды образуются слабые связи, которые постоянно рвутся и перестраиваются. Во льду эти связи фиксируются в кристаллическую решётку — гексагональную структуру с большим количеством пустот. Именно поэтому лёд имеет плотность 0,92 г/см³, а жидкая вода — 1,00 г/см³. Лёд легче, поэтому плавает. Большинство других веществ при замерзании становятся плотнее. Если бы не эта аномалия, лёд уходил бы на дно, водоёмы промерзали бы снизу вверх, и экосистемы полярных регионов просто не существовали бы (Franks, «Water: A Comprehensive Treatise», Plenum Press, 1972, vol. 1).
Но есть и другая аномалия. Вода имеет самый высокий показатель теплоёмкости среди всех распространённых жидкостей — 4,18 Дж/(г·°C). Это значит, чтобы нагреть воду на один градус, нужно затратить гораздо больше энергии, чем для нагрева любой другой жидкости. Именно поэтому океаны так медленно нагреваются и так медленно остывают. Они работают как гигантский тепловой аккумулятор планеты. Без этого климат Земли был бы похож на марсианский — с дикими перепадами температур в несколько десятков градусов за сутки. Океаны сглаживают эти перепады. Исследование NOAA (2020) показало, что верхний слой океана толщиной всего 2,5 метра содержит столько же тепла, сколько вся атмосфера Земли (Johnson et al., «Ocean Heat Content», NOAA Technical Report, 2020).
Теперь о замерзании. Вода может оставаться жидкой при температурах значительно ниже нуля. Это явление называется переохлаждением. В лабораторных условиях, используя специально очищенную воду без центров кристаллизации, удавалось охлаждать её до -42°C, после чего она всё-таки замерзала. Но в 2014 году группа исследователей из Университета Юты зафиксировала переохлаждённую воду до -48,3°C — абсолютный рекорд (Mishima, «Vinification of water at deep supercooling», Journal of Chemical Physics, 2014, vol. 140, 204503). В природе переохлаждённые капли дождя иногда ударяются о землю и мгновенно превращаются в лёд — именно этим опасен зимний гололёд.
Ещё одна странность: вода расширяется при охлаждении ниже +4°C. Обычные вещества сжимаются при охлаждении. Вода делает с точностью до наоборот. Плотность воды максимальна при +3,98°C — 1,0000 г/см³. При дальнейшем охлаждении плотность начинает падать. Это явление впервые описал шотландский физик Томас Грэм в 1861 году, но объяснение пришло только в 1933 году, когда Уильям Бернал применил рентгеновскую кристаллографию к жидкой воде: оказалось, что при охлаждении водородные связи перестраиваются в более рыхлую структуру, опережая формирование льда (Bernal & Fowler, «A Theory of Water and Ionic Solutions», Journal of Chemical Physics, 1933, vol. 1, pp. 515–548).
Теперь о самом странном — существует ли вода на самом деле в двух жидких фазах? В 2022 году учёные из Стокгольмского университета опубликовали сенсационную работу: они утверждают, что при определённых условиях (высокое давление и низкая температура) вода может разделиться на две несмешивающиеся жидкости с разной плотностью. Одна — низкоплотная, как лёд, другая — высокоплотная, как вода под давлением. «Вода может быть двумя разными жидкостями одновременно», — заявил профессор Андерс Нильссон (Amann-Winkel et al., «Liquid-liquid transition in water», Nature Communications, 2022, vol. 13, 4668). Если это подтвердится, придётся переписывать учебники.
В 2023 году исследователи из Кембриджа с помощью компьютерного моделирования показали, что при экстремальных условиях — давлении в 20 000 атмосфер и температуре -20°C — вода способна образовывать совершенно новые кристаллические структуры, не похожие ни на один из 19 известных типов льда. Один из них назвали «льдом BCC» — он имеет кубическую решётку и плотность на 30% выше обычного льда (Engel et al., «Computational discovery of new ice phases», Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, vol. 120, e2301843120).
А теперь подумайте: каждый день вы пьёте самое аномальное вещество во Вселенной. Оно плавает в твёрдой фазе, кипит при температуре, слишком высокой для своей молекулярной массы, имеет рекордную теплоёмкость, существует в двух жидких фазах, переохлаждается до -48°C и образует странные кристаллы под давлением. Без этих аномалий не было бы ни жизни, ни цивилизации. Вода — не просто H₂O. Это квинтэссенция химического безумия, которое сделало возможным всё остальное.