Нгуэн-Ким Май Тхи - Комично, как все химично! [Почему не стоит бояться фтора в зубной пасте, тефлона на сковороде, и думать о том, что телефон на зарядке взорвется]

Водородные мостики встречаются не только в молекулах воды. Они могут возникать всегда, когда водород ковалентно связан с электроотрицательным партнером. Но с этими мостиками стоит внимательнее разобраться именно на примере воды.

Без водородных мостиков всех нас тоже не было бы. Не было бы жизни на этой Земле. Потому что, не будь их, вода при том давлении и тех температурах, которые господствуют на нашей планете, была бы не жидкой, а газообразной. Это можно увидеть по молекулам, имеющим примерно те же размеры, что и молекулы воды, но не обладающим способностью связываться между собой водородными мостиками. Это, например, метан (СН 4) и двуокись углерода (СО 2): земных условиях оба эти вещества – газы.

Тем, что вода при нормальном давлении атмосферы закипает и превращается в газ лишь при 100 °C, мы обязаны водородным мостикам, благодаря которым молекулы воды держатся друг за друга.

Рыбам тоже есть за что благодарить водородные мостики: пруды и озера даже в самые лютые морозы редко промерзают до самого дна.Почему? Это некоторым образом связано с плотностью. Ведь, как мы все знаем, лед по воде плавает. Мы периодически такое явление наблюдаем, бросая в напиток кубик льда, но почему-то не очень удивляемся.

Давайте еще разок вернемся к модели частиц из главы 1 . Агрегатное состояние – твердое, жидкое, газообразное – определяется сочетанием плотности и температуры частиц. В твердом веществе частицы располагаются особенно плотно, в жидкостях у них немного больше свободы движения, поэтому им не так тесно, и плотность меньше, а в газе плотность самая низкая. Поэтому агрегатное состояние можно изменить либо давлением, либо температурой. Повышая давление, мы сдавливаем частицы теснее, плотность повышается. Так под давлением газ становится жидкостью, а затем твердым веществом. А понижая температуру, мы уменьшаем движение частиц, им требуется меньше места, что также ведет к повышению плотности. Таким образом, водяной пар при охлаждении становится жидкой водой, а затем льдом.

Но – минуточку! Если лед (Н 2О в твердом состоянии) плавает в воде (Н 2О в жидком состоянии), получается, что плотность льда меньше плотности воды? Но это же неслыханно! Разве может жидкость быть плотнее твердого вещества? Вы, наверное, догадываетесь: все дело в водородных мостиках. Эту странность называют аномалией плотности воды.

Когда воду охлаждают, поначалу она ведет себя совершенно нормально: температура падает – плотность повышается, как и положено. По мере того как частицы замедляют свое движение, создаются все лучшие условия для образования водородных мостиков, и эти мостики сводят частицы все ближе друг к другу. Однако при 4°С вода достигает своей максимально возможной плотности. После чего происходит странное: при дальнейшем понижении температуры до 0°С плотность снова уменьшается, то есть молекулы воды снова отодвигаются друг от друга.

Почему они это делают? А потому, что движение частиц становится таким медленным, что молекулы воды только в этот момент получают время и паузу на то, чтобы основательно сорганизоваться для образования кристаллической решетки льда.

Эту упорядоченную структуру можно почти невооруженным глазом наблюдать в снежинке или кристалле льда. Узор снежинки – это и есть результат симметричного построения атомов внутри нее. В кристалле льда каждый атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода. С двумя из них он связан ковалентно, с двумя другими – водородными мостиками. В этой решетчатой структуре относительно большие полые зазоры и потому меньшая плотность.

И что же с этого рыбам в озере?

Когда зимой вода охлаждается, она опускается на дно, потому что чем она холоднее, тем плотнее (на разговорном языке «тяжелее»). Поскольку при 4 °C вода обретает свою максимальную плотность, на дне озера температура воды 4 °C, а выше она постепенно становится холоднее. В какой-то момент поверхность озера начинает замерзать, причем сверху вниз. Если бы не существовало аномалии плотности воды, лед был бы тяжелее воды, и озеро замерзало бы снизу вверх. Тогда снизу подступал бы лед, сверху добавлялся бы холодный зимний воздух, и озеро замерзало бы целиком – от самого дна и до поверхности. Поскольку же озера замерзают сверху вниз, слой льда действует как изолятор для нижерасположенных слоев воды, и у рыб зимой есть место где плавать в жидкой воде. И дышать.