Почему вода жидкая, обладает аномальными свойствами?

Вода состоит из 11,11% водорода и 88,89% кислорода (по весу). При образовании воды с одним атомом кислорода соединяются два атома водорода. В молекуле воды атомы водорода и кислорода расположены по углам равнобедренного треугольника: при вершине находится атом кислорода, а в углах при основании - по атому водорода; угол при вершине треугольника около 105°, а расстояние между ядрами водорода и кислорода около 0,97*10-8 см и между ядрами водорода 1,53*10-8 см

Молекулы воды объединяются в агрегаты, это означает совокупность нескольких молекул: гидроли, дегидроли, тригидроли. В зависимости от отношений между агрегатами вода находится в жидком, твердом или газообразном состоянии. Вода в газообразном состоянии состоит в основном из однородных простых молекул гидролей - (Н2 О). Агрегаты из двух молекул (Н2 О) 2 - называют дегидролями, а из трех (Н2 О) 3 - тригидролями. Вода в жидком состоянии состоит из гидролей, дегидролей и тригидролей. Таким образом, вода в жидком состоянии всегда имеет несколько агрегатов, которые состоят из нескольких молекул и они одновременно возникают и снова распадаются. Количество простых молекул и сложных (агрегатов) зависит от температуры воды и расстоянием между молекулами. Лёд состоит в основном из тригидролей.

Молекула воды характеризуется значительной полярностью вследствие того, что в ней оба атома водорода располагаются не на прямой, проведенной через центр атома кислорода, а как бы по одну сторону от атома кислорода. Это приводит к неравномерности распределения электрических зарядов. Сторона молекулы с атомом кислорода имеет некоторый избыток отрицательного заряда, а противоположная сторона, в которой размещены атомы водорода, - избыток положительного заряда электричества. Наличием полярности и некоторых других сил обусловлена способность молекул воды объединяться в агрегаты по несколько молекул.

Простейшую формулу H2O имеет молекула парообразной воды. Молекула воды в жидком состоянии представляет собой объединение двух простых молекул (Н2O) 2, молекула льда - объединение трех простых молекул (Н20) з. Простая, не объединившаяся с другой молекула воды Н20 называется гидроль, образование из двух объединившихся молекул воды, т. е. (Н20) 2, - дигидроль, а соединение из трех простых молекул (Н20) з - тригидроль. Образование дигидроля и тригидроля происходит вследствие притяжения молекул воды друг к другу в результате отмеченного выше эффекта полярности, свойственного молекулам воды.

Во льду преобладают молекулы тригидроля, имеющие наибольший объем, а простые, необъединившиеся молекулы в нем отсутствуют. В парообразном состоянии при температуре свыше 100° С, вода состоит главным образом из молекул гидроля, так как значительная скорость движения молекул при этой температуре нарушает ассоциацию (объединение) молекул. В жидком состоянии вода представляет собой смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношение между которыми меняется с изменением температуры. Между формами молекул воды в зависимости от температуры установлено следующее соотношение

Существует и вторая модель строения воды. Исследование воды при помощи спектрального анализа показывает, что структура расположения кристаллов в молекуле воды при температурах ниже 4° С, включая и фазу льда, сходна со строением кристалла тридимита, а при более высоких температурах - со строением кристалла кварца. При понижении температуры кварцевая структура воды постепенно замещается тридимитовой. Принимая во внимание, что лед по структуре сходен с тридимитом (т. е. подобен графиту), и предполагая, что строение воды подобно строению кварца (т. е. алмаза), можно понять, что замещение одной структуры другой приводит к возникновению аномалий воды, в частности к уменьшению плотности при замерзании.