Водородные связи и геометрия молекулы H2O

Поведение воды определяется строением ее отдельной молекулы. Атом кислорода сильнее притягивает к себе электроны, чем связанные с ним атомы водорода. На кислороде возникает частичный отрицательный заряд, а на водородах формируются частичные положительные заряды. Валентный угол между связями O–H составляет приблизительно 104,5 градуса, что превращает молекулу в выраженный диполь.

Положительно заряженный водород одной молекулы неизбежно притягивается к неподеленной электронной паре кислорода соседней молекулы. Такое электростатическое взаимодействие называют водородной связью. Энергия водородной связи уступает классической ковалентной связи, однако ее вполне достаточно для объединения молекул в подвижные пространственные ассоциаты.

В жидком состоянии при комнатной температуре тепловая энергия заставляет молекулы быстро двигаться. Водородные связи непрерывно рвутся и возникают за доли пикосекунды. Молекулы скользят относительно друг друга, плотно сближаются и заполняют случайные промежутки. Координационное число молекулы воды в жидкости колеблется в районе 4,4–4,7, что свидетельствует о довольно плотной упаковке частиц.

Образование гексагональной решетки льда

При понижении температуры до нуля градусов Цельсия скорость теплового движения молекул падает. Сила взаимного притяжения начинает преобладать над кинетической энергией разлета. Молекулы больше не могут беспорядочно скользить и фиксируются в строгом порядке, образуя обычный природный лед модификации Ih с гексагональной симметрией.

В этой кристаллической решетке каждая молекула кислорода образует ровно четыре водородные связи с соседними атомами, формируя правильные тетраэдры. Тетраэдрическая направленность связей заставляет молекулы держаться на строго фиксированном расстоянии около 0,276 нанометра друг от друга. Подобная пространственная конфигурация неизбежно оставляет внутри решетки пустые шестиугольные каналы.

Появление этих пустот приводит к парадоксальному с точки зрения школьной физики эффекту. При замерзании плотность воды падает с 0,9998 грамма на кубический сантиметр до 0,9167 грамма на кубический сантиметр при нуле градусов. Вещество расширяется, масса сохраняется, а средняя плотность снижается.

Аномалия теплового расширения при четырех градусах

Большинство твердых тел и жидкостей непрерывно сжимаются при охлаждении, становясь все плотнее вплоть до точки затвердевания. У воды этот процесс протекает нормально лишь до температуры плюс 3,98 градуса Цельсия. При этой отметке плотность пресной воды достигает своего абсолютного максимума, равного 1,0000 грамма на кубический сантиметр.

В температурном интервале от четырех до нуля градусов начинают конкурировать два противоположных физических процесса:

  • Обычное тепловое сжатие стремится сблизить частицы при падении кинетической энергии
  • Зарождающиеся ассоциаты с каркасной тетраэдрической структурой раздвигают молекулы в стороны, формируя рыхлые микрокристаллические зародыши

Ниже четырех градусов побеждает структурный фактор. Вода начинает расширяться еще до фактического перехода в твердую фазу. Именно поэтому охлажденная до одного или двух градусов вода поднимается вверх, уступая более глубокие слои самой плотной четырехградусной воде.

Почему другие вещества ведут себя иначе

Подавляющее большинство простых веществ и химических соединений тонут в собственном расплаве. Металлический слиток железа или свинца сразу опустится на дно чана с жидким металлом. Кусок твердого парафина или застывшего бензола тонет в жидком воске или жидком бензоле. Молекулы этих тел удерживаются ненаправленными ван-дер-ваальсовыми силами или металлической связью, поэтому при остановке теплового движения они упаковываются максимально плотно, подобно бильярдным шарам в коробке.

Кроме воды, способностью расширяться при кристаллизации обладают всего несколько веществ с направленными ковалентными связями. К ним относятся кремний, германий, сурьма, галлий и висмут. Их твердые кристаллы тоже плавают на поверхности собственных жидких расплавов.

Биосферное значение плавающего льда

Если бы вода подчинялась стандартному правилу сжатия при замерзании, лед становился бы тяжелее жидкости. Зимой первые же образовавшиеся льдинки опускались бы на дно рек и озер. Водоемы промерзали бы снизу доверху, превращаясь за несколько месяцев в сплошные ледяные монолиты, которые не успевали бы растаять за короткое лето.

Плавающий лед образует на поверхности изолирующую корку с низкой теплопроводностью. Под ледяным щитом температура на глубине стабильно держится около отметки плюс четыре градуса Цельсия. Это сохраняет экосистему и позволяет рыбам, моллюскам и водным растениям благополучно зимовать даже в суровые морозы.

Частые вопросы

Изменится ли уровень воды в стакане, когда плавающий кубик льда растает?

Уровень воды останется прежним. Плавающий лед вытесняет объем жидкости, в точности равный массе этого льда. При плавлении лед сожмется ровно в тот объем жидкой воды, который был вытеснен его подводной частью.

Почему стеклянная бутылка лопается в морозилке?

При переходе в твердое состояние объем воды возрастает на девять процентов. Жесткие водородные связи формируют кристаллическую решетку с огромным распирающим давлением, достигающим сотен атмосфер, что легко раскалывает стекло и рвет стальные трубы.

Почему кубик льда в стакане громко трескается?

Внешние слои холодного льда соприкасаются с относительно теплой водой и мгновенно нагреваются, пытаясь сжаться, в то время как сердцевина остается промерзшей до минус пятнадцати градусов. В толще кристалла возникает мощное механическое напряжение, приводящее к акустическому растрескиванию.

Тонет ли лед в других бытовых жидкостях?

В жидкостях с плотностью меньше 0,917 грамма на кубический сантиметр лед тонет. Например, в чистом медицинском спирте с плотностью около 0,789 грамма на кубический сантиметр или в крепких напитках высокой концентрации кубик льда сразу идет ко дну.