Когда лед тает и превращается в воду, происходит ослабление и деформация водородных связей, что делает жидкость более плотной, чем лед. При температуре + 3,98оС наступает уникальное состояние воды, когда квазикристаллические ассоциации максимально уплотнены за счет некоторого заполнения пустот каркаса льда. По мере повышения температуры и увеличения энергии теплового движения молекул воды происходит постепенный распад ассоциативных образований и частичный разрыв водородных связей с нарастающим уменьшением времени «оседлой жизни» ?d. Для чистой воды при температуре +10оС ?d = 10-11 секунд.
Время оседлой жизни ?d — время, в течении которого молекула воды находится в среде своих соседей — очень важная термодинамическая характеристика, определяющая многие физические и биологические параметры. Современные спектроскопические методы позволяют надежно определять эту величину. Но вернемся опять к сказанному выше. По мере подъема температуры структурные, физико-химические и биологические особенности воды во многом будут определяться тепловым движением ее молекул.
Усиливаются диффузионные перемещения в результате наложения быстрых колебательных и других движений молекул на более медленные. При этом постепенно увеличивается число разорванных водородных связей и повышается интенсивность прыжков молекул воды.
Дальнейший подъем температуры, вплоть до кипения воды сопровождается возрастанием указанных процессов.
Пар соответствует такому состоянию воды, когда почти все водородные связи разорваны.
Если бы водородные связи у воды были бы иные, т.е. слабее или сильнее существующих, то картина окружающего нас мира была бы другой. Величина силы и характер проявления водородных связей между молекулами воды и другими, растворенными в ней примесями, создают идеальные условия для зарождения, развития и процветания жизни на Земле. Как мы уже подчеркивали выше, секрет уникальных свойств воды лежит в особом строении ее молекул, в том, что каждая молекула «однобока», трехмерна, имеет большой дипольный момент, обладает кооперативностью, а между собой молекулы связаны только им присущими водородными связями.
Из бесчисленного мира различных молекул и соединений ни одна их разновидность не обладает даже приближенным строением и свойствами к молекулам воды. В этом источник удивительных аномальных особенностей воды, благодаря которым существуем мы, люди, и весь прекрасный мир растений, животных и минералов!
Чтобы разрушить все водородные связи в 1 г воды, требуется 537 калорий. Поэтому вода обладает феноменальной теплоемкостью, является гигантским аккумулятором тепла в масштабах всей планеты.
Количество тепла, необходимое для нагревания 1 г вещества на 1оС, называется удельной теплоемкостью. Величина удельной теплоемкости не остается постоянной. У воды при нагревании от 0 оС до 37 оС теплоемкость падает, при 37 оС — 38 оС — остается в яме, а затем, от 37 оС до 100 оС возрастает. Получается так, будто природа, создавая человека, мудро снабдила его оптимальным, т.е. экономически наивыгоднейшим режимом сомотеплорегулирования при температуре 36,6 оС — 37 оС. Вода, содержащаяся до 80 — 90 % в каждой клетке, именно при этой температуре обеспечивает организму человека и животных оптимальный тепловой баланс с окружающей средой, без чего невозможен нормальный обмен веществ.
Сила притягивания или отталкивания двух электрических зарядов называется диэлектрической постоянной. Огромный дипольный момент молекул воды и существующие между ними водородные связи объясняют аномально высокую диэлектрическую постоянную (дп). Если взять дп вакуума за единицу, то дп воды будет равна приблизительно 80. Это значит, что в воде два электрических заряда будут взаимно притягиваться или отталкиваться с силой в 80 раз меньше той, с которой они взаимодействуют в вакууме. Высокая дп воды объясняет феноменальную способность воды растворять в себе буквально все вещества, существующие в природе. В каждой капле морской воды растворено 44 элемента таблицы Менделеева. Одного лишь золота в морях и океанах растворено почти 12 миллиардов тонн — приблизительно по 2 тонны на каждого жителя планеты.
На поверхности воды «оголенные» протоны остаются «не у дел». Здесь им не на чем испытать силу своего воздействия: выше уже нет атомов кислорода. И тогда водородные протоны уподобляются притаившимися в ожидании смерти осьминогами. Стоит только приблизить к свободной поверхности воды предмет, в котором есть атом кислорода, как протоны вцепятся в него «щупальцами» своих водородных связей. Этим обуславливается способность воды смачивать те или другие вещества.
В основных чертах рассмотрим изотопные разновидности воды, которые определяются изотопным составом водорода и кислорода воды Н2О. Дело в том, что водород воды представлен тремя изотопами водорода — протием (П), дейтерием (Д) и тритием (Т).
П и Д — стабильные изотопы, Т-радиоактивный. Они образуют тяжелую и легкую воду по водороду. У кислорода воды семь изотопов: О16, О17, О18 — стабильные, О13, О14, О15, О19 и О20 — радиоактивные. Различают также легкую и тяжелую воду по кислороду.