1. Физические свойства и структура воды

По сравнению с другими жидкостями вода имеет необычно высокие температуры плавления и кипения, теплоту испарения, удельную теплоемкость, теплоту плавления, а также большое поверхностное натяжение. Эта особенность воды обусловлена тем, что силы притяжения между молекулами жидкой воды очень велики и соответственно велико их внутреннее сцепление.

Большая прочность связей между молекулами в жидкой воде обусловлена электрической полярностью молекул воды, которая, в свою очередь, есть результат специфического расположения электронов в атомах кислорода и водорода, составляющих молекулу воды.

Характерное расположение электронов в молекуле воды придает электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода стремится притянуть электроны атомов водорода, оставляя водородные ядра обнаженными. В результате каждый из двух атомов водорода обладает частичным положительным зарядом (обозначаемым О⁺), а атом кислорода несет частичный отрицательный заряд (О^-), локализованный в области необобществленных орбиталей.

Таким обра­зом, молекула воды в целом хотя и не имеет суммарного заряда, представляет собой электрический диполь. Степень разделения положительного и отрица­тельного зарядов в полярных молеку­лах характеризуется диполъным момен­том, мерой которого является способность молекулы ориентироваться в электрическом поле.

1. Водородная связь

Силы притяжения между молеку­лами воды определяются в основном полярной природой этих молекул, так как между частичным отрицательным зарядом атома кислорода одной моле­кулы воды и частичным положительным зарядом атома водорода соседней моле­кулы воды имеет место сильное электростатическое притяжение. Этот тип электростатического взаимодействия, включающий в себя незначительный ковалентный компонент, называют обычно водородной связью. Расположение элек­тронов вокруг атома кислорода близко к тетраэдрическому, т. е. каждая мо­лекула воды стремится cвязаться во­дородной связью с четырьмя соседними молекулами воды (рис.1).

Рис. 1. Водородная связь

Важная особенность водородных связей – их меньшая прочность по сравнению с ковалентными. По имеющимся оценкам, энергия водородных связей в жидкой воде составляет всего около 4,5 ккал моль, тогда как энергия ковалентной связи Н-О (в молекуле воды, образованной за счет спаривания электронов) равна 110 ккал моль. Другое важное свойство водородных связей – их строго определенное направление в пространстве, что связано с вполне определенным направлением связывающих орбиталей атомов водорода и кислорода. Для водородных связей характерна также определенная длина, различная для разных типов водородной связи в зависимости от структурной геометрии и распределения электронов во взаимодействующих молекулах.

Рис. 2. Расположение водородных связей между молекулами воды во льду и пространственная решетка льда

Жидкую воду можно рассматривать как слегка растрескавшийся лед; для нее характерно наличие ближнего и отсут­ствие дальнего порядка. При 100° С между молекулами воды еще существует достаточно сильное взаимодействие, на что указывает высокая теплота испа­рения воды. И действительно, водородные связи между молекулами воды практически полностью разрушаются только при нагревании водяного пара примерно до 600° С.