Почему вода особенная: аномалии воды

Всё дело в молекуле

Молекула воды H₂O состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом около 105 градусов, как буква V. Кислород сильнее тянет к себе электроны, поэтому со стороны кислорода молекула заряжена немного отрицательно, а со стороны водородов положительно.

Из-за этого молекулы воды притягиваются друг к другу: водород одной тянется к кислороду соседней. Такая связь называется водородной. Она в десятки раз слабее обычной химической, но молекул много, и вместе эти связи меняют всё поведение вещества.

Вода кипит слишком высоко

Сравним воду с похожими веществами: сероводородом H₂S, у которого вместо кислорода стоит сера из того же столбца таблицы Менделеева. Сероводород тяжелее воды, но кипит при минус шестидесяти градусах и при комнатной температуре это газ. По этой логике вода тоже должна была бы кипеть где-то около минус восьмидесяти и быть газом.

Но водородные связи держат молекулы вместе, и чтобы вода закипела, их нужно разорвать. Поэтому вода кипит при ста градусах. Если бы не это, на Земле не было бы ни морей, ни рек, ни нас.

Лёд легче воды

Почти все вещества при замерзании сжимаются: твёрдое тяжелее жидкого и тонет. Кусок застывшего воска утонет в расплавленном воске. А лёд плавает. При замерзании водородные связи выстраивают молекулы в просторную шестиугольную решётку с пустотами внутри. Лёд примерно на девять процентов легче воды, поэтому у айсберга над водой видна только десятая часть.

Ещё одна странность: вода самая плотная не при нуле, а при четырёх градусах тепла. Когда озеро остывает осенью, холодная вода опускается вниз, пока вся толща не остынет до четырёх градусов. Дальше охлаждается уже только верхний слой, он становится легче и остаётся сверху, а потом замерзает. Лёд работает как одеяло, и на дне всю зиму держится вода около четырёх градусов. Рыбы зимуют в ней спокойно.

У этого свойства есть и обратная сторона. Замерзающая вода расширяется с огромной силой: разрывает бутылки в морозилке, трубы зимой и даже скалы. Вода затекает в трещины камня, замерзает, расширяет трещину, и за века горы рассыпаются. Это одна из главных причин выветривания.

Вода медленно греется и медленно остывает

Чтобы нагреть килограмм воды на один градус, нужно 4200 джоулей. Это намного больше, чем для большинства веществ: для железа в девять раз меньше, для песка примерно в пять раз меньше. Величину называют удельной теплоёмкостью.

Q = c · m · Δt

Поэтому летом песок на пляже обжигает ноги, а вода в море прохладная. А осенью наоборот: песок быстро остывает, море ещё долго тёплое. Океаны запасают летом огромное количество тепла и отдают его зимой, поэтому на побережьях климат мягче, чем в глубине материка. Сравните зимы у моря в Калининграде и в глубине материка в Казани: города лежат почти на одной широте, а средняя январская температура отличается почти на десять градусов.

Поверхностное натяжение

Водородные связи тянут молекулы на поверхности внутрь и в стороны, и поверхность воды ведёт себя как натянутая плёнка. По ней бегают водомерки, на неё можно аккуратно положить стальную скрепку, и она не утонет. Капля дождя круглая, потому что плёнка стремится сделать поверхность как можно меньше.

Опыт: налейте в стакан воду до краёв, а потом осторожно добавляйте по капле. Вода поднимется над краем горкой и не прольётся. Капните в неё моющее средство, и горка сразу растечётся: мыло ослабляет натяжение. Поэтому мыльная вода лучше проникает в ткань и смывает грязь.

Чай на Эвересте

Температура кипения зависит от давления. Вода закипает, когда давление её пара становится равным давлению воздуха. В горах воздух разрежен, и вода кипит раньше. На высоте Эльбруса, больше пяти километров, вода кипит примерно при 82 градусах, а на вершине Эвереста около 70. Чай там заваривается плохо, а макароны и картошка почти не варятся.

Обратный эффект используют в скороварке: крышка закрывает пар, давление растёт, и вода кипит при 115–120 градусах. Еда готовится в два-три раза быстрее.

Растворитель почти для всего

Заряженные концы молекул воды облепляют ионы и другие полярные молекулы и растаскивают их по одной. Поэтому в воде растворяются соль, сахар, многие газы и кислоты. Химики шутят, что чистой воды в природе не бывает: даже дождь, падая, растворяет углекислый газ из воздуха и становится слегка кислым.

Для жизни это главное свойство. Все реакции в клетках идут в водном растворе, кровь разносит растворённые вещества, растения поднимают по стволу воду с минеральными солями. Человек примерно на шестьдесят процентов состоит из воды.

Частые вопросы