Водородные связи между молекулами воды (обозначены пунктиром).

Объемная модель, показывающая расположение молекул воды, связанных водородными связями.

Энергия водородной связи Н---О в димере воды (H₂O)₂ составляет 21,5 кДж/моль, а ее длина 2,04 А. Таким образом, эти связи более длинные и примерно в 10-20 раз менее прочные, чем обычные ковалентные, но именно они заставляют воду быть жидкостью или льдом (а не газом) в обычных условиях. Водородные связи разрушаются только тогда, когда жидкая вода переходит в пар.

При температурах выше 0°С (но ниже температуры кипения) вода уже не имеет такую упорядоченную межмолекулярную структуру, как показано на рисунках 7-1а и 7-1б. Поэтому в жидкой воде молекулы связаны между собой лишь в отдельные агрегаты из нескольких молекул. Эти агрегаты могут свободно двигаться рядом друг с другом, образуя подвижную жидкость. Но при понижении температуры упорядоченность становится все больше и больше, а агрегаты – все крупнее. Наконец, образуется лед, который имеет примерно такую упорядоченную структуру, как на рис. 7-1б и 3-15 из §3.8.

Кстати, на этих рисунках хорошо видно, что в кристалле льда между молекулами остаются пустоты. Объем пустот чуть больше, чем размер отдельной молекулы Н₂О. Поэтому лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода и плавает на поверхности. Большинство же других веществ, при замерзании, увеличивает свою плотность.

Таким образом, водородные связи придают воде еще одно уникальное свойство, без которого вряд ли могла бы существовать разнообразная жизнь в тех районах Земли, где температура зимой понижается ниже 0°С. Если бы лед тонул в воде, то зимой все водоемы промерзали бы до самого дна. Трудно ожидать, что рыбы согласились бы жить в таких условиях. Человек мог бы растапливать лед, превращая его в воду для своих нужд, но это потребовало бы огромных затрат дополнительной энергии.

Вода— простейшее химическое соединение водорода с кислородом. Химически чистая вода состоит из 11,19% водорода и 88,81% кислорода (по весу). Вода — самое распространенное и самое необыкновенное вещество на Земле благодаря своим аномальным свойствам. В земных условиях только вода находится в трех физических агрегатных со­стояниях: твердом (лед, снег), жидком (вода) и газообразном (пар). В парообразном состо­янии (при температуре 100°С) вода состоит главным образом из простых молекул, назы­ваемых гидролями (Н₂О). В жидкой фазе вода представляет собой смесь гидролей (Н₂О) двойных молекул — дигидролей (Н₂О)₂ и тройных молекул— тригидролей (Н₂О)₃.

В твердой фазе (лед) в воде преобладают тригидроли (Н₂О)₃. Переход воды из одного состояния в другое происходит быстро и сопровождается или поглощением тепла (при испарении, таянии льда и снега) или выделением тепла (при конденсации и сублимации водяного пара, при замерзании воды), но на температуру самой воды (льда) это не влияет. При этом скачкообразно изменяются физические и химические свойства воды. Химически чистая вода при нормальном атмосферном давлении 760 мм (1013 гПа) кипит при 100 °С, замерзает при О°С (это и температура плавления льда), имеет наибольшую плотность при температуре +4 °С.

Теплоемкость. Вода — одно из самых теплоемких в природе тел. Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 °С. Вследствие высокой теплоемкости воды океанов, морей и озер поглощают огромное количество тепла летом, являясь его мощными аккумуляторами. Зимой воды, охлаждаясь, отдают тепло в атмосферу. Этим объясняется большое умеряющее (летом охлаждающее, зимой отепляющее) влияние океанов и морей на климат прилегающих материков в умеренных и высоких широтах. В экваториально-тропических теплоэнергетических зонах вода нагревается весь год и тепло морскими течениями и воздушными потоками передается в умеренные и полярные широты. Это перераспределение тепла имеет огромное климатическое значение.

Для воды характерны высокие значения теплоты испарения (597 кал/г) и теплоты плавления (79,4 кал/г). Эти свойства очень важны для живых организмов. Высокая теплота испарения обеспечивает защиту их от перегрева, а большая теплота плавления — от переохлаждения.

Теплопроводность воды весьма незначительна. Поэтому нагревание воды в естествен­ных водоемах происходит не столько путем молекулярной теплопроводности, сколько путем плотностной конвекции, перемешивания воды вследствие течений и волнения. При отсутствии перемешивания воды в озерах наблюдается вертикальная термическая слоистость (стратификация). Лед и особенно снег обладают еще меньшей теплопроводностью, чем вода. Поэтому лед, возникнув на поверхности водоема, предохраняет воду от дальнейшего охлаждения, а снег — почву от промерзания, бесснежие же губит озимые культуры.

Плотность воды зависит от температуры и солености. Наибольшая плотность химиче­ски чистой воды достигается при температуре +4 °С, а выше и ниже +4 °С плотность воды уменьшается — вода становится легче. Это удивительное аномальное свойство воды по сравнению с другими жидкостями, плотность которых при понижении температуры и затвердевании увеличивается, объясняется тем, что одиночные молекулы воды Н₂О (моногидроли) могут объединяться и образовывать сложные молекулы: дигидроли и тригидроли. Они более крупные по объему, но относительно рыхлые, ажурные по структуре и поэтому более легкие.

При понижении температуры воды происходит, с одной стороны, нормальное уменьшение объема и уплотнение воды, вызванное охлаждением, как у всех жидкостей, а с другой — увеличение объема и соответственно уменьшение плотности воды из-за объединения молекул воды в более сложные, но более легкие. При охлаждении воды до +4 °С преобладает первый процесс, при температуре +4 °С оба процесса уравновешиваются, поэтому плотность наибольшая, при дальнейшем охлаждении воды ниже +4 °С преобладает второй процесс. Плотностная аномалия воды имеет громадное значение для природных вод. Во-первых, при осеннем охлаждении пресных водоемов до +4 °С более холодная и плотная вода с поверхности опускается и обогащает глубинные слои кислородом, как бы подготавливая водоем к зиме. Во-вторых, вследствие этой аномалии водоемы даже в условиях сурового климата не промерзают до дна, за исключением совсем мелких, поскольку при охлаждении воды ниже +4 °С вплоть до О °С верхние слои воды становятся менее плотными, более легкими и удерживаются на поверхности.

Так как молекулярная теплопроводность воды и льда невелика, верхние слои предохраняют от охлаждения ниже расположенные толщи воды; живые организмы тем самым уберегаются от гибели. Весной после таяния льда и нагревания воды в верхнем ее слое до +4 °С она становится тяжелее, плотнее и опу­скается вниз, обогащая глубинные слои кислородом, что очень важно для жизни, так как после зимы запасы кислорода в водоемах истощаются. Но это опускание прекращается после достижения температуры +4 °С, ибо при последующем прогревании поверхностная вода становится легче. Таким образом, благода­ря плотностной аномалии воды сохраняется жизнь в водоемах в условиях холодных и уме­ренных климатических поясов.

Своеобразным свойством воды является резкое увеличение ее объема при замерзании. Объем льда примерно на 10% больше по сравнению с первоначальным объемом воды. И наоборот, плавление льда сопровождается не расширением, а сжатием и уменьшением объема воды. Это аномальное свойство воды объясняется тем, что при понижении температуры воды и переходе ее через О °С происходит быстрое превращение почти всех ее молекул в тригидроли, что сопровождается скачкообразным увеличением объема льда. Увеличиваясь в объеме, лед становится менее плотным (плотность льда при замерза­нии воды составляет 0,91 г/см³), а значит, бо­лее легким, чем вода, и всплывает.

Будучи плохим проводником тепла, лед предохраняет глубокие слои воды от замерзания. Свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании играет огромную роль при разрушении горных пород путем физического («морозного») вы­ветривания, поскольку, замерзая в трещинах пород, лед давит на их стенки и разрывает породу на мелкие части. Изменение объема воды при замерзании и таянии льда создает в области многолетней мерзлоты особый рельеф: бугры пучения при замерзании воды и впадины при таянии льдистых грунтов и линз льда.

Подвижность — характерное свойство жидкой воды. Движение воды происходит под действием силы тяжести, различия плотностей, под влиянием ветра, вследствие притяжения Луной и Солнцем и др. Перемешивание воды способствует выравниванию ее температуры, солености, химического состава и т. д. Велика роль движущейся воды в перераспределении тепла в океанах путем мор­ских течений. Благодаря поверхностным текучим водам размываются, перемещаются и отлагаются огромные массы горных пород.

Термическая устойчивостьтводы весьма высока. Водяной пар разлагается на водо­род и кислород только при температуре выше 1000°С в высоких слоях атмосферы.

Поверхностное натяжение. Вода среди жидкостей, кроме ртути, обладает самым боль­шим поверхностным натяжением. Благодаря этому свойству вода поднимается по капилля­рам в грунтах, движется вверх в растениях, обеспечивая соответственно почвообразование и питание растений. Без воды земледелие бы­ло бы невозможно.

Вода — прекрасный растворитель, поэтому все воды представляют собой газосолевые растворы различного химического состава и различной концентрации. Концентрация растворенных в воде веществ характеризуется, обозначается символом 5 и выражается в промилле (%о), т. е. в тысячных долях (граммах вещества на килограмм воды). Соленость пресной воды менее 1%о, остальные воды в той или иной степени соленые. Большая часть химических элементов находится в воде в виде гидратированных ионов, газы — в виде растворенных молекул. Растворимость газов в воде больше при низких температурах и повышенном давлении. Обнаружилось, что вода изменяет свою растворяющую способность под воздействием искусственно создаваемого магнитного поля. Растворяющая способность воды обусловливает химическое выщелачивание (выветривание) горных пород, обмен веществами между компонентами природы внутри географической оболочки, между сушей и океаном, между организмами и средой. Вообще минерализация воды до определенного предела — основа жизни. Химически чистая вода для жизни непригодна.

Многообразен не только химический и молекулярный, но и изотопный состав природных вод, так как кислород и водород имеют несколько изотопов. В природных услови­ях известны атомы водорода с атомным весом 1 (Н¹ — протий), 2 (Н²=Д — дейтерий) и 3 (Н³=Т — тритий) и атомы кислорода с атомным весом 16(О¹⁶), 17(О¹⁷) и 18(О¹⁸). Из сочетания изотопов водорода Н, Д и Т и кислорода О¹⁶, О¹⁷ и О¹⁸ образуется девять видов воды. Природная вода — смесь всех этих видов. Причем на долю обыкновенной воды Н₂'О¹⁶ приходится 99,7% на Земле. Все остальные виды воды, кроме обыкновенной, называются тяжелой водой. Наиболее существенно отличается от обыкновенной тяжелая вода Н₂О¹⁶ (Д₂О). Она имеет молекулярный вес 20, кипит при температуре 101,42°С, замерзает при температуре 0,8 °С, имеет максимальную плотность при 11,6 °С. Тяжелая вода нашла применение в атомной энергетике.

Способность к самоочищению — важное свойство воды. Оно осуществляется в процессе течения в реках, волнения в озерах и морях, фильтрации воды через грунт, в процессе испарения. Но при загрязнении выше определенных пределов эта способность нарушается.

Цвет воды. Вода имеет голубоватый оттенок, но в тонких слоях бесцветна. Оттенки цвета зависят от угла падения солнечных лучей, глубины проникновения света и от примесей.

Прозрачность воды определяется глубиной погружения белого диска диаметром 30 см. Прозрачность зависит от примесей. При большой прозрачности свет проникает на большую глубину, поддерживая необходимые условия для существования организмов.

Физические и химические свойства воды тесно взаимосвязаны. Особенно сильно изме­няются свойства воды под влиянием температуры и давления. Удивительные свойства воды способствовали появлению и развитию жизни на Земле. Благодаря воде совершаются все процессы в географической оболочке.