Коротко — причина в сильных водородных связях и следствия для жизни.
Почему аномально высокие температура кипения и поверхностное натяжение
- Молекула воды полярна (угол $\approx 104.5^{\circ }$), кислород сильно электроотрицателен, есть два донорных H и две неподелённые пары — каждый H2O может образовать до четырёх водородных связей.
- Энергия одной водородной связи порядка $10\text{–}40\text{kJ/mol}$, что значительно выше типичных ван-дер-ваальсовых взаимодействий (несколько $\text{kJ/mol}$). Из‑за этого требуется больше энергии, чтобы разорвать связи при испарении → высокая температура кипения. Примеры кипения при 1 атм: вода $100^{\circ }C$, в то время как H2S $\approx -60^{\circ }C$, NH3 $\approx -33^{\circ }C$, HCl $\approx -85^{\circ }C$.
- Сеть водородных связей даёт сильную когезию молекул у поверхности → высокое поверхностное натяжение (вода при $20^{\circ }C$ $\approx 72\text{mN/m}$; для сравнения метанол $\approx 22\text{mN/m}$).
Основные количественные характеристики, важные для биологии
- Удельная теплоёмкость воды \(c \approx 4.18\ \text{J·g}^{-1}\text{·K}^{-1}\) — большая теплоёмкость стабилизирует температуру среды.
- Удельная теплота парообразования \(L_v \approx 2260\ \text{J·g}^{-1}\) — эффективное охлаждение при испарении (пота, транспирация).
- Диэлектрическая проницаемость $\epsilon \approx 78.5$ при $25^{\circ }C$ — отличное растворение ионизированных веществ.
Последствия для живых систем (кратко)
- Широкая жидкая область: вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур (при 1 атм $0^{\circ }C$–$100^{\circ }C$), что даёт стабильную среду для биохимии.
- Тепловая буферизация: высокая теплоёмкость и большая теплота парообразования защищают организмы и климат от резких колебаний температуры и обеспечивают охлаждение через испарение.
- Транспорт воды в растениях: когезия и адгезия (водородные связи) позволяют подъёму воды по капиллярам и механизму скоагезионного натяжения в ксилеме.
- Поверхностное натяжение: позволяет мелким организмам (водяные ходы) и каплям формировать устойчивые интерфейсы; влияет на газообмен и формирование менисков в лёгких/порах.
- Растворитель для биомолекул: высокая полярность и диэлектрическая проницаемость способствуют диссоциации и переносу ионов, образованию гидратационных слоёв вокруг белков и нуклеиновых кислот, что критично для структуры и функции биомолекул.
- Водородные связи прямо участвуют в структуре белков и ДНК (стабилизация двойной спирали и вторичной структуры белков).
Вывод: аномальные свойства воды объясняются уникальной способностью образовывать сильную трёхмерную сеть водородных связей; это даёт высокую температуру кипения и поверхностное натяжение и обусловливает множество ключевых физических и биологических явлений, необходимых для жизни.