Вода: структура вещества, физические и химические свойства

Вода составляет около 60% массы тела взрослого человека и до 80% массы мозга и крови. Она транспортирует питательные вещества, гормоны и кислород к клеткам, а также отвечает за выведение продуктов метаболизма. Терморегулирующая способность воды, связанная с ее высокой удельной теплоемкостью, позволяет нашему организму поддерживать постоянную температуру. Без этих уникальных физико-химических свойств существование сложных биологических систем было бы невозможным.

Ошибочно считать воду просто химическим соединением H₂O. В действительности это сложная динамическая система. Современная наука отошла от представлений о воде как об однородной жидкости. Вместо этого она рассматривает воду как сеть молекул, связанных водородными связями, которые непрерывно образуются и разрушаются за счет теплового движения.

Молекула воды (H₂O) имеет угловое строение, которое формируется в результате sp³-гибридизации атома кислорода. Атом кислорода образует две ковалентные связи с двумя атомами водорода. Однако из-за сильной электроотрицательности кислорода электронные облака связей смещены в его сторону, что создает в молекуле два полюса: отрицательный на атоме кислорода и положительный на атомах водорода. В результате молекула воды представляет собой классический диполь — она имеет постоянный электрический момент. Именно это дипольное строение лежит в основе всех уникальных свойств воды, включая ее способность образовывать водородные связи.

Помимо обычной воды, в природе существуют ее изотопные модификации. Атомы водорода в молекуле могут быть заменены на его тяжелые изотопы — дейтерий (D) или тритий (T). Так, тяжелая вода (D₂O) содержит дейтерий (тяжелый стабильный изотоп водорода). Она обладает схожими химическими, но отличается физическими свойствами: температура плавления +3,82°C, температура кипения +101,4°C, а плотность примерно на 10% выше. Тяжелая вода токсична для большинства организмов, потому что замедляет биохимические реакции. Сверхтяжелая вода (T₂O) радиоактивна. Существование таких модификаций наглядно демонстрирует, как изменения на атомном уровне кардинально влияют на макроскопические свойства вещества.

Дипольная природа молекул воды обуславливает их способность к образованию водородных связей. Положительно заряженный атом водорода одной молекулы притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода соседней молекулы. Хотя каждая отдельная водородная связь примерно в 20 раз слабее ковалентной, их совокупное действие создает мощные силы связи внутри жидкости. Эти связи не являются статичными; время их жизни составляет порядка 1-5 пикосекунд (10⁻¹² с), но вместо разрушенных связей сразу же образуются новые. Эта динамичная трехмерная сеть и есть основа структуры жидкой воды.

Структура жидкой воды — предмет активных научных дискуссий. Единой модели структуры воды не существует, но наиболее признанными являются кластерная и клатратная теории, которые не исключают, а дополняют друг друга.

Согласно кластерной модели, молекулы воды объединяются в короткоживущие ассоциаты — кластеры. Эти кластеры не имеют строгой формы и постоянно перестраиваются. Их можно представить как временные островки более упорядоченной структуры, плавающие в море менее упорядоченных молекул. Размер и стабильность кластеров зависят от температуры и давления. При нагревании кластеры разрушаются, что объясняет, почему с ростом температуры плотность воды ведет себя аномально (достигая максимума при 4°C), а ее текучесть увеличивается.

Клатратная модель предлагает другую точку зрения. Она предполагает, что жидкая вода имеет непрерывную, но неупорядоченную сеть водородных связей, в которой образуются пустоты — полости. В эти полости могут встраиваться сами молекулы воды, что делает структуру динамичной и однородной. Эта модель хорошо объясняет высокую способность воды растворять различные вещества: молекулы растворенного вещества просто занимают эти полости, стабилизируя окружающую их водную решетку. На практике современные ученые считают, что в воде одновременно присутствуют элементы обеих моделей

При замерзании вода расширяется, а ее плотность уменьшается. Это прямое следствие формирования кристаллической структуры льда. Молекулы H₂O выстраиваются в гексагональную решетку, где каждая молекула связана водородными связями с четырьмя соседями. Такое расположение создает много пустого пространства внутри решетки, делая лед менее плотным, чем жидкость. Именно поэтому лед плавает на поверхности воды, что имеет огромное экологическое значение: он действует как теплоизолятор, предотвращая полное замерзание водоемов.

В газообразном состоянии (водяной пар) молекулы воды разделены большими расстояниями и движутся хаотично. Водородные связи практически не образуются из-за высокой кинетической энергии молекул. Структура пара является наиболее простой — это отдельные, независимые молекулы H₂O. Однако при конденсации, когда пар охлаждается, молекулы теряют энергию, начинают сближаться и между ними снова образуются водородные связи, приводя к переходу в жидкое состояние. Этот процесс выделяет значительное количество энергии, что является обратной стороной высокой удельной теплоемкости воды.
Изучение строения воды продолжается с использованием самых современных методов (рентгеновской спектроскопии и компьютерного моделирования).