Коротко — потому что в воде сильные водородные связи между молекулами, а они требуют заметно больше энергии для разрыва, чем слабые ван‑дер‑ваальсовы взаимодействия у негомологических молекул той же молярной массы. Ниже — с пояснениями и последствиями.
Почему температура кипения выше
- Молекулярная причина: каждая молекула воды может образовать до четырёх водородных связей, образуя сетчатую структуру, тогда как у многих малых молекул (CH4, NH3 и т.д.) таких связей либо нет, либо они слабее и менее кооперативны. Энергия одной водородной связи порядка $\sim 10\text{–}30\text{kJ/mol}$, тогда как типичные ван‑дер‑ваальсовы взаимодействия — $\sim 0.4\text{–}4\text{kJ/mol}$.
- В термодинамике это проявляется в большой энтальпии испарения $\Delta H_{vap}$ для воды, что по уравнению Клаузиуса–Клапейрона снижает парциальное давление при данной температуре и повышает температуру кипения:
$$\frac{d\ln p}{dT}=\frac{\Delta H_{vap}}{R{T}^2}.$$ - Численные примеры: молекулярная масса воды $\approx 18\text{g/mol}$ и её температура кипения при $1\text{atm}$ — $100^{\circ }\text{C}$, тогда как у метана (≈$16\text{g/mol}$) точка кипения $\approx -161^{\circ }\text{C}$, у аммиака (≈$17\text{g/mol}$) — $\approx -33.3^{\circ }\text{C}$.
Главные числовые характеристики воды (важные для биологии)
- Удельная теплоёмкость: \(c\approx 4.18\ \text{kJ·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}\).
- Молярная энтальпия парообразования: $\Delta H_{vap}\approx 40.65\text{kJ/mol}$ (или удельная теплота парообразования $\approx 2260\text{kJ/kg}$).
- Диэлектрическая проницаемость: $\epsilon \approx 80$ (при комнатной температуре) — хорошее растворяющее свойство для ионов.
- Плотность имеет максимум при $4^{\circ }\text{C}$ — важная аномалия.
Последствия для живых систем (сжато)
- Жидкая вода в обычных условиях: благодаря высокому температурному диапазону жидкого состояния (от $0^{\circ }$ до $100^{\circ }$ при $1\text{atm}$) вода обеспечивает среду для биохимии на Земле; многие маленькие молекулы при тех же температурах были бы газом.
- Тепловая стабильность: высокая теплоёмкость смягчает суточные и сезонные колебания температуры, защищая организмы и экосистемы от резких перепадов.
- Охлаждение через испарение: большая $\Delta H_{vap}$ делает потоотделение и испарительное охлаждение эффективными (снижение температуры тела требует много энергии).
- Транспорт воды и растворённых веществ: высокая когезия и адгезия (высокое поверхностное натяжение и капиллярность) обеспечивают подъём сока в растениях (механизм cohesion–tension).
- Растворитель для биохимии: высокая $\epsilon$ и полярность позволяют ионам и полярным молекулам хорошо растворяться, что критично для метаболических реакций и транспорта ионов.
- Структурная роль и гидрофобный эффект: водородные связи и их перестройка определяют гидрофобный эффект, важный для свёртывания белков, формирования биомембран и макромолекулярных комплексов.
- Экологические эффекты: большая латентная теплота и теплоёмкость влияют на климат и распределение биомов, создавая стабильные водные среды для жизни (океаны, озёра).
Вывод: высокий T кипения воды — прямое следствие сильных водородных связей и связанной с ними большой $\Delta H_{vap}$. Это даёт воде уникальный набор термических, механических и растворяющих свойств, которые критически важны для существования и стабильности живых систем.