Коротко — из‑за сильных и направленных водородных связей, образующих пространственную сетку между молекулами воды. Пояснения:
- Причина силы связей: кислород очень электроотрицателен, атомы H малы и частично обнажённые, поэтому каждая молекула H2O может быть одновременно донором двух и акцептором двух водородных связей (тетраэдрическая среда). Это даёт плотную 3‑D сеть когезивных взаимодействий.
- Энергетика: типичная энергия одной водородной связи ≈ $20-30\text{kJ/mol}$, среднее число H‑связей на молекулу в жидкости ≈ $3.4$, в совокупности даёт большую энергию когезии и высокую энтальпию испарения $\Delta H_{\mathrm{vap}}\approx 40.7\text{kJ/mol}$.
- Последствия для кипения: сильные межмолекулярные силы требуют большей энергии для перехода в газовую фазу, поэтому температура кипения воды $100^{\circ }\text{C}$ намного выше, чем у молекул аналогичной массы (например, NH3 $-33^{\circ }\text{C}$, H2S $-60^{\circ }\text{C}$).
- Поверхностное натяжение: высокая когезия на поверхности даёт большую величину $\gamma$ — для воды при $20^{\circ }\text{C}$ $\gamma \approx 72\text{mN/m}$, тогда как для многих органических жидкостей и одноводородных спиртов значительно меньше (например, метанол ≈ $22\text{mN/m}$).
- Дополнительно: малый размер молекулы и значный диполь $\mu \approx 1.85\text{D}$ усиливают плотность взаимодействий по массе.
Итог: высокая температура кипения и поверхностное натяжение воды следуют из сильных, направленных и многочисленных водородных связей, формирующих динамическую трёхмерную сеть, что делает межмолекулярную когезию значительно сильнее, чем у похожих по массе молекул без таких связей.