В воде присутствуют две разные химические связи. Ковалентные связи между кислородом и атомами водорода возникают в результате разделения электронов. Это то, что удерживает вместе сами молекулы воды. Водородная связь - это химическая связь между молекулами воды, которая удерживает массу молекул вместе. Капля падающей воды - это группа молекул воды, удерживаемых водородными связями между молекулами.
Водородные связи относительно слабы, но поскольку их очень много в воде, они в значительной степени определяют ее химические свойства. Эти связи в первую очередь представляют собой электрическое притяжение между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. В жидкой воде молекулы воды обладают достаточной энергией, чтобы поддерживать их постоянную вибрацию и движение. Водородные связи постоянно образуются и разрываются, чтобы образоваться снова. Если кастрюля с водой на плите нагревается, молекулы воды движутся быстрее, поскольку они поглощают больше тепловой энергии. Чем горячее жидкость, тем больше движутся молекулы. Когда молекулы поглощают достаточно энергии, те, что находятся на поверхности, переходят в газовую фазу пара. В водяном паре нет водородных связей. Находящиеся под напряжением молекулы плавают независимо друг от друга, но по мере охлаждения они теряют энергию. При конденсации молекулы воды притягиваются друг к другу, и в жидкой фазе снова образуются водородные связи.
Лед - это четко выраженная структура, в отличие от воды в жидкой фазе. Каждая молекула окружена четырьмя молекулами воды, которые образуют водородные связи. Поскольку полярные молекулы воды образуют кристаллы льда, они должны ориентироваться в виде массива, подобного трехмерной решетке. Меньше энергии и, следовательно, меньше свободы колебаться или двигаться. Как только они устроятся так, что их притягивающий и отталкивающий заряды уравновешены, водородные связи устанавливаются таким образом, пока лед не поглотит тепло и не тает. Молекулы воды во льду не упакованы так близко друг к другу, как в жидкой воде. Поскольку они менее плотны в этой твердой фазе, лед плавает в воде.
В молекулах воды атом кислорода притягивает отрицательно заряженные электроны сильнее, чем водород. Это дает воде асимметричное распределение заряда, так что это полярная молекула. Молекулы воды имеют как положительно, так и отрицательно заряженные концы. Эта полярность позволяет воде растворять многие вещества, которые также имеют полярность или неравномерное распределение заряда. Когда ионное или полярное соединение подвергается воздействию воды, молекулы воды окружают его. Поскольку молекулы воды малы, многие из них могут окружать одну молекулу растворенного вещества и образовывать водородные связи. Из-за притяжения молекулы воды могут разрывать молекулы растворенного вещества, так что растворенное вещество растворяется в воде. Вода - «универсальный растворитель», потому что растворяет больше веществ, чем любая другая жидкость. Это очень важное биологическое свойство.
Сеть водородных связей воды придает ей сильную когезию и поверхностное натяжение. Это очевидно, если на вощеную бумагу капнуть воду. Капли воды образуют шарики, так как воск не растворяется. Это притяжение, создаваемое водородными связями, удерживает воду в жидкой фазе в широком диапазоне температур. Энергия, необходимая для разрыва водородных связей, заставляет воду иметь высокую теплоту испарения, поэтому требуется большое количество энергии для преобразования жидкой воды в ее газообразную фазу, водяной пар. Из-за этого испарение пота, которое многие млекопитающие используют в качестве охлаждающей системы, эффективно, поскольку от тела животного должно выделяться большое количество тепла, чтобы разорвать водородные связи между водой молекулы.
Вода - универсальная молекула. Он может образовывать водородные связи с собой, а также с любыми другими молекулами, к которым присоединены радикалы ОН или NH2. Это важно во многих биохимических реакциях. Его свойства создали благоприятные условия для жизни на этой планете. Для повышения температуры воды на один градус требуется большое количество тепла. Это позволяет океанам накапливать огромное количество тепла и смягчает климат Земли. При замерзании вода расширяется, что способствует выветриванию и эрозии геологических структур. Тот факт, что лед менее плотный, чем жидкая вода, позволяет льду плавать в прудах. Верхний уровень воды может заморозить и защитить многие формы жизни, которые могут пережить зиму глубже в воде.