Если бы химик, никогда не видевший воды, попытался предсказать её свойства по формуле и по сходству с родственными соединениями, он бы ошибся почти во всём. Вода должна была бы кипеть при сильном морозе, а её лёд — тонуть. К счастью для всего живого, она ведёт себя иначе.
Молекула с характером
Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом, наподобие буквы «Л». Кислород сильнее притягивает общие электроны, поэтому со стороны кислорода молекула заряжена слегка отрицательно, а со стороны водородов — слегка положительно.
Из-за этого соседние молекулы тянутся друг к другу: водород одной — к кислороду другой. Такое притяжение называют водородной связью. Она намного слабее связей внутри молекулы, зато каждая молекула может участвовать сразу в нескольких. В жидкой воде эти связи непрерывно рвутся и возникают заново, образуя подвижную сетку. Почти все необычные свойства воды — следствие этой сетки.
Лёд, который не тонет
Обычно вещество в твёрдом состоянии плотнее, чем в жидком: при застывании частицы укладываются теснее. У воды наоборот. Когда она замерзает, водородные связи выстраивают молекулы в ажурную шестиугольную решётку с пустотами. Лёд оказывается примерно на девять процентов легче воды и плавает.
Более того, вода плотнее всего не при замерзании, а при температуре около четырёх градусов выше нуля. Для водоёмов это имеет решающее значение. Осенью остывающая у поверхности вода опускается, пока весь водоём не охладится до четырёх градусов. Дальше более холодная вода остаётся наверху и там же превращается в лёд. Ледяная корка защищает глубину от мороза, и у дна вода остаётся жидкой. Если бы лёд тонул, озёра и моря промерзали бы снизу и летом не успевали бы оттаять.
У той же особенности есть и неприятная сторона: замерзая, вода расширяется, разрывает трубы и крошит скалы, попав в трещины.
Запас тепла
Чтобы нагреть воду, нужно гораздо больше энергии, чем для большинства привычных веществ: часть тепла уходит на разрыв водородных связей. Поэтому вода медленно нагревается и медленно остывает. Океан накапливает летнее тепло и отдаёт его зимой, смягчая климат приморских областей; морские течения переносят тепло от экватора к высоким широтам.
Ещё больше энергии требуется, чтобы воду испарить. На этом основано охлаждение тела потом: испаряясь с кожи, влага уносит много тепла. По той же причине вода кипит при ста градусах. Её ближайшие химические родственники, соединения водорода с серой и селеном, при обычных условиях — газы и закипают на десятки градусов ниже нуля.
Плёнка на поверхности и подъём вверх
Молекулы в глубине жидкости притягиваются соседями со всех сторон, а на поверхности — только сбоку и снизу. Поэтому поверхность воды ведёт себя как натянутая плёнка. Капли стремятся к форме шара, водомерки бегают по пруду, а аккуратно положенная стальная иголка может не утонуть.
Вода притягивается и ко многим другим материалам, поэтому в тонких трубках и порах она поднимается сама, против силы тяжести. Это явление помогает влаге двигаться в почве и в сосудах растений.
Растворитель для жизни
Благодаря заряженным «концам» молекулы вода хорошо растворяет соли, сахара, кислоты, многие газы. Она окружает частицы растворённого вещества и растаскивает их. Кровь, сок растений, содержимое клеток — всё это водные растворы, в которых идут химические реакции жизни. Вещества, которые в воде не растворяются, например жиры, тоже важны: из них построены оболочки клеток, отделяющие внутреннее от внешнего.
Что ещё не до конца понято
Вода остаётся предметом исследований. Известно больше десятка разновидностей льда, возникающих при разных давлениях и температурах. Очень чистую воду можно охладить заметно ниже нуля без замерзания. Устройство сетки водородных связей в жидкости до сих пор уточняют с помощью опытов и компьютерных расчётов.
Всё это — обычная физика и химия, без тайных сил. Но результат таков, что без этих «неправильных» свойств наша планета выглядела бы совсем иначе. Самое распространённое на Земле вещество оказывается и одним из самых необычных.
