Строение молекулы воды и природа водородной связи

Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Связи между ними ковалентные полярные. Кислород обладает гораздо большей электроотрицательностью, поэтому он смещает электронную плотность к себе. В результате на атоме кислорода формируется частичный отрицательный заряд, а на атомах водорода возникает частичный положительный заряд.

Угол между связями O–H в изолированной молекуле составляет примерно 104,5 градуса. Такая асимметричная форма превращает молекулу в постоянный диполь. Положительно заряженный атом водорода одной молекулы притягивается к неподелённой электронной паре кислорода соседней молекулы. Это электростатическое и частично донорно-акцепторное взаимодействие называют водородной связью. По прочности она уступает обычной ковалентной связи примерно в двадцать раз, но превосходит обычные силы межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса.

Что происходит с водой при замерзании

В жидком состоянии молекулы воды обладают высокой тепловой энергией. Они непрерывно перемещаются, сталкиваются, водородные связи между ними живут триллионные доли секунды, постоянно разрываясь и собираясь снова. Благодаря хаотичному движению молекулы могут подходить друг к другу вплотную, заполняя свободные промежутки.

Когда температура падает до нуля градусов Цельсия, кинетическая энергия молекул снижается настолько, что тепловое движение уже не способно разрушать водородные связи. Каждая молекула фиксируется в строго определённом положении, образуя ровно четыре водородные связи с соседними молекулами. Возникает ажурная гексагональная кристаллическая решётка льда Ih. В этой структуре молекулы удерживаются на фиксированном расстоянии около 0,276 нанометра друг от друга.

Из-за жёсткой пространственной геометрии между частицами появляются крупные пустоты. Молекулы уже не могут произвольно упаковываться в эти полости, как они делали в жидкости. В итоге то же самое количество вещества занимает больший объём, что приводит к прямому падению плотности. При нуле градусов плотность жидкой воды составляет около 0,9998 г/см³, а плотность обычного льда равна примерно 0,9167 г/см³. Закон Архимеда объясняет дальнейшее поведение твердой фазы: выталкивающая сила превышает силу тяжести льдины, заставляя её всплывать.

Температурная точка максимальной плотности

Подавляющее большинство веществ подчиняется простому физическому правилу: при охлаждении они сжимаются, а их плотность равномерно растёт вплоть до перехода в твёрдую фазу. Вода ведет себя иначе из-за конкуренции двух противоположных процессов.

  • Тепловое сжатие стремится сблизить частицы при падении температуры от комнатной вниз, увеличивая плотность среды.
  • Формирование устойчивых каркасных ассоциатов начинается задолго до замерзания и создает микроскопические рыхлые полости, уменьшая плотность.
  • В точке 3,98 градуса Цельсия оба процесса достигают баланса, поэтому чистая вода обретает свою предельную плотность, равную 1,0000 г/см³.

При дальнейшем остывании от четырех градусов до нуля перевешивает структурирование водородных связей. Жидкость начинает расширяться еще до того, как превратится в монолитный лед. Это явление называют аномалией теплового расширения воды.

Биологическое и климатическое значение аномалии

Если бы вода вела себя стандартно, реки, озера и полярные моря промерзали бы снизу вверх. Остывающий поверхностный слой опускался бы на дно, вытесняя более теплые слои наверх под ледяной воздух. Водоемы умеренных широт за зиму превращались бы в сплошные глыбы льда, которые не успевали бы оттаивать за короткое лето. Вся придонная биосфера погибла бы.

В реальной природе водоемы замерзают сверху. Остывшая до четырех градусов вода опускается на дно как самая тяжелая. Дальнейшее охлаждение до нуля делает поверхностный слой легче, удерживая его наверху до образования ледяной корки. Лед обладает крайне низкой теплопроводностью, порядка 2,2 Вт/(м·К), поэтому он работает как термос. Под метровым слоем льда на самом дне водоема всю зиму сохраняется температура около плюс четырех градусов, что позволяет рыбе, моллюскам и водным растениям спокойно выживать.

Частые вопросы

Почему стеклянная бутылка с водой лопается в морозилке?

При переходе в твердое состояние вода расширяется примерно на 9 процентов от своего исходного объема. Поскольку вода в замкнутом пространстве несжимаема, растущие кристаллы льда создают колоссальное внутреннее давление, доходящее до сотен мегапаскалей, что легко разрывает стекло или стальные трубы.

Тонет ли лед в других жидкостях?

Да, если плотность жидкости меньше плотности льда. В этиловом спирте с плотностью около 0,789 г/см³ или бензине кубик водяного льда мгновенно идет на дно.

Существуют ли другие вещества с меньшей плотностью в твердой фазе?

Подобная аномалия встречается крайне редко, но не уникальна для воды. Сходным свойством обладают висмут, галлий, германий и кремний. При затвердевании их кристаллическая структура тоже становится более рыхлой, чем расплав.

Бывает ли лед тяжелее воды?

В земных условиях при нормальном давлении существует только гексагональный лед Ih, который легче воды. Однако в лабораториях под экстремальным давлением в тысячи атмосфер ученые получают другие модификации льда. Некоторые из них, например лед II, V или VII, спрессованы настолько плотно, что их удельный вес превышает единицу, и они тонут в воде.