Вода - химическое соединение двух атомов водорода с одним атомом кислорода. Однако формуле воды Н20 по молекулярной массе соответствуют только водяные пары при высокой температуре. В жидком виде вода состоит из более сложных молекул, соответствующих формуле (Н20)n. Ассоциация молекул воды происходит вследствие их дипольного характера и возникновения водородной связи. Водородная связь образуется между атомом водорода одной полярной молекулы воды и атомом кислорода другой полярной молекулы:
На рис. 2 приведена схема образования молекулы воды. На этой схеме показано, как два атома водорода дополняют своими электронами внешнюю орбиту атома кислорода до. полного числа, т. е. до восьми, и сами получают как бы по одному электрону; таким образом, у каждого атома кислорода и водорода получается по два общих электрона. О прочности этой связи можно судить, например, по тому, что молекулы воды сравнительно очень редко распадаются на ионы.
Два атома водорода несут положительный заряд, в то время как кислород имеет два отрицательных заряда. Если мысленно соединить между собой эти заряды, то получится тетраэдр. Показанное на рис. 3 положение зарядов в вершинах тетраэдра обусловливает многие свойства воды. Разноименно заряженные вершины различных молекул воды притягиваются. Силы этого межмолекуляриого притяжения, или так называемые «водородные связи», оказываются весьма значительными. Благодаря им жаждая молекула воды может притянуть до четырех других молекул воды. Так соединены, например, молекулы льда.
Рис. 2. Схема образования молекулы воды.
Роль водородных связей очень многообразна. Они цементируют воду воедино, помогают группироваться молекулам воды в более крупные агрегаты. Скрытая теплота плавления и парообразования и большая теплоемкость воды обусловлены необходимостью затрачивать дополнительное количество энергии на преодоление этих молекулярных сил.
Рис. 3. Взаимное расположение атомов и зарядов в молекуле воды.
Возникновение водородной связи объясняется свойством атома водорода взаимодействовать с сильно электроотрицательным элементом, например с кислородом другой молекулы воды. Такая особенность атома водорода обусловливается тем, что, отдавая свои единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом, он остается в виде ядра очень малого размера, почти лишенного электронной оболочки. Поэтому атом водорода не испытывает отталкивания электронной оболочки кислорода другой молекулы воды, а наоборот, притягивается ею и может вступить с нею во взаимодействие.
Наибольшей устойчивостью обладают удвоенные молекулы (Н20)2, образование которых сопровождается возникновением двух водородных связей:
(пунктиром показана водородная связь).