Липкие молекулы». Водородная связь.

Молекула – наименьшая частица вещества, несущая его химические свойства. Она состоит из двух или более атомов, имеет определенную структуру расположения этих атомов. Например, мы можем делить поваренную соль на все более мелкие частички, пока не доберемся до одинокой пары Na+Cl. Эта пара будет иметь все обычные химические свойства соли, но если мы разобьем ее – одинокие атомы натрия и хлора перестанут иметь химические свойства соли, они по отдельности не будут вступать в те же реакции, что и NaCl.

Атом фтора, каким бы голодным он ни был, не может полностью отнять электрон у водорода – он лишь сильно смещает его в свою сторону. Электрон, грубо говоря, становится ближе к центру атома фтора, чем к центру атома водорода.

Это означает, что если провести воображаемую линию через центр молекулы фтороводорода (HF), то у стороны фтора будет отрицательный заряд, а у стороны водорода – равный ему положительный. О таком явлении говорят, что молекула фтороводорода сильно «полярна».

Почти то же самое можно сказать о молекулах воды (H₂O) и аммиака (NH₃). Такие молекулы имеют положительно и отрицательно заряженные полюса. Что будет, если положительно заряженный конец одной молекулы приблизится к отрицательно заряженному концу другой? Они, конечно, притянутся друг к другу, словно слипнутся.

Подобного эффекта мы не увидим в молекуле H₂S, например (несмотря на то, что ее структура похожа на молекулу воды) – просто потому, что сера – не такой сильный электроотрицательный элемент, как кислород, и не может заметно сдвинуть в свою сторону электрон, принадлежащий водороду. Поэтому H₂S не очень полярна.

Атом водорода в молекуле воды граничит с атомом кислорода из той же самой молекулы. Но к этой молекуле в силу ее полярности примыкает еще одна молекула воды, развернутая так, чтобы ее отрицательно заряженная сторона соприкасалась с положительно заряженной стороны первой молекулы. А это значит, что соседняя молекула разместится так, чтобы к атому водорода первой молекулы примыкал атом кислорода второй молекулы. Таким образом атом водорода оказывается «зажат» между двумя атомами кислорода – одним своим и одним из соседней молекулы, и такую связь, за счет которой молекулы воды словно слипаются, называют «водородной». Водородная связь – один из видов химических связей.

Водородная связь слабее обычной химической связи в двадцать раз, но ее наличие оказывает грандиозное влияние на нашу жизнь. Поскольку молекулы воды «слипаются» указанным выше способом, то требуются значительно более высокие температуры, чтобы оторвать их друг от друга, чем если бы молекулы были неполярными. Если бы не было этого эффекта, скрепляющего между собой молекулы воды, вода закипала бы при температуре минус 70 градусов! Какой была бы тогда жизнь, если бы была вообще? В силу повышенной «липкости» молекул, вода может поглощать так много тепла при повышении температуры на каждый градус, ведь ее молекулы тесно связаны между собой, и их трудно «раскачать», то есть трудно повысить температуру воды. Это значит, что если долго и сильно нагревать воду, то ее молекулы начнут лишь немного больше раскачиваться, то есть температура воды поднимается очень медленно, поэтому океан нагревается гораздо медленнее, чем суша, под лучами солнца.

Верно и обратное – вода способна отдавать много тепла при падении температуры, то есть если вода остынет лишь немного, она при этом в окружающую атмосферу отдаст много тепла – столько же, сколько понадобилось, чтобы нагреть воду.

Поэтому мы говорим, что вода имеет чрезвычайно высокую «теплоемкость», то есть ведет себя как огромная теплогубка. Она забирает и отдает больше тепла, чем любое другое вещество при одном и том же изменении температуры, и охлаждается медленнее, работая как термостат, сохраняющий мягкий климат на Земле.