Phân tử nước H2O, có một nét đặc trưng duy nhất. Như chúng ta đã đề câp ở đoạn trước thì nước là một phân tử phân cực do các liên kết hydrogen. Thêm nữa, hình dạng của phân tử nước là tứ diện. Bốn cặp điện tử nằm ngoài lớp vỏ liên kết với một điện tử của phân tử nước khác, và tạo nên cấu trúc tứ diện .
Nét đặc trưng hoá học đó giải thích một vài tính chất đặc biệt của nước, như khả năng của nước đã nổi trên mặt nước, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đóng băng của nước , khả năng của nước bảo quản nóng và khả năng nhỏ giọt của nước. Các tính chất này được nói đên chi tiết ngay sau đây.
2.16 Hydrogen Bonds Hold Water Molecules Together Hydrogen bonding exists between the molecules of water in both its liquid and solid states. water in both its liquid and solid states.
• Băng trôi: Ở trạng thái rắn, phân tử nước riêng biệt được giử tạI các vị trí do các liên kết hydrogen, tạo ra cấu trúc rắn và tinh thể trong đó một phân tử nước liên kết vớI 4 phân tử nước khác ( hình 2.16a). Mặc dù các phân tử được giữ vững chắc tạI chỗ, nhưng nó vẫn không nhồI nhét một cách chặt chẽ như ở trạng thái lỏng ( hình 2.16b). Nói cách khác, nước đá không nặng bằng nước ở thể lỏng, vì thế đá có thể nổi trên nước.
Nếu đá được tạo thành trong nước, gíống như tất cả các phân tử rắn khác khi biến thành thể lỏng, các biển và hồ nước có thể đóng băng từ phia trên, trở thành khối nước rắn trong mùa đông và tiêu diệt tất cả vi sinh vật sống trong đó. Khi mà toàn bộ mặt biển bị đóng băng, nhiệt độ của nó có thể giảm xuông dưới nhiệt độ điểm đóng băng. Tuy nhiên, bởi vì đá thì nổi trên nước nên hình dạng của nó có một lớp bảo vệ trên bề mặt biển, giảm nhiệt độ nước chảy vào không khí lạnh ở phía trên. Vì vây, các loài cá, thực vật và các cơ thể sống khác trong biển không bị ảnh hưởng bởI nhiệt độ thấp hơn 0°C, nhiệt độ đóng
băng của nước. Phát hiện gần đây về nước lỏng ở phái dưới băng cực trên sao Hoả cho phép suy đoán là cuộc sống có thể tồn tạI trong môi trường đó.
• Sự nóng chảy và đóng băng:Nước là máy điều tiết khi nhiệt độ thay đổi. So sánh giữa các thể khác nhau có cùng thể tích, thì phần tử nước đá cần có một năng lượng lớn để có thể tan chảy. Để tan chảy 1mol (6,02x1023 nguyên tử, số lượng chuẩn, xem trang 28) nước cần cung cấp một năng lượng 5,9 kj. Giá trị này khá cao vì cần cắt đứt liên kết hydrogen để nước chuyển từ thể rắn sang lỏng. Quá trình ngược lại là đóng băng, một phần lớn năng lượng bị mất đi khi mà nước chuyển từ thể lỏng sang rắn.
• Sự lưu kho nóng: nước góp phần cho sự ổn đinh nhiệt một cách đáng kinh ngạc ở trong các đại dưong và các hồ nước lớn trong nhiều năm trời. Sự thay đổi nhiệt độ ở các vùng ven biển cũng được điều hoà bởi một lượng lớn nước. Thực ra nước giúp cho việc thay đổi ít nhất nhiệt độ khí quyển trên trái đất.
• Sự điều hoà này là do nước có nhiệt dung lớn. Tỉ nhiệt của một chất được tính bằng năng lượng nhiệt cần thiết để làm 1g chất đó tăng thêm 1°C. Sự tăng nhiệt độ của nước lỏng cần một lượng nhiệt lớn để phá vỡ liên kết hydrogen. So sánh với các phân tử nhỏ chất lỏng khác thì nước có tỉ nhiệt lớn nhất.
• Sự bay hơi và làm mát: Nước có nhiệt hóa hơi cao, có nghĩa là cần lượng nhiệt lớn để nước có thể chuyển nước từ trạng thái lỏng sang khí (qúa trình bay hơi). Một lần nữa, phần lớn năng lượng là để cắt liên kết hydrogen của nước. Lượng nhiệt này cần được hấp thu từ môi trường tiếp xúc với nước. Như vậy thì sự bay hơi có tác dụng làm mát môi trường như lá cây, rừng, hay toàn bộ các vùng đất rộng lớn. Hiệu ứng này giải thích tại sao mà con người lại đổ mồ hôi ra ngoài da, nó diễn ra khi nhiệt độ cơ thể tăng cao.
• Sự dính kết và sức căng bề mặt: Trong nước ở thể lỏng, mỗI phân tử nước đơn có khả năng tự do dao động. Các liên kết hydrogen giữa các phân tử liên tục được hình thành và phá vỡ. Nói cách khác, nước lỏng có một cấu trúc năng động. Kết quả là mỗI một phân tử nước hình thành nên 3,4 liên kết hydrogen với các phân tử khác. Số lượng đó thường là không nhiều ở nước đá, nhưng nó cũng khá cao. Liên kết hydrogen giải thích sự dính kết cao của nước lỏng. Cường độ dính kết cho phép một cách giới hạn sự căng ra của cột nước từ gốc cây đến lá có khi đến hàng trăm mét.
Khi nước bay hơi từ lá cây. Toàn bộ cột nước di chuyển lên trên để đẩy các phân tử lên cao.
Nước cũng có sức căng bề mặt lớn, điều đó có nghĩa là bề mặt của nước lỏng tiếp xúc với không khí thì khó đâm thủng được màng nước. Các phân tử nước ở lớp bề măt này liên kết với các phân tử ở lớp dưới nhờ liên kết hydrogen. Sức căng bề mặt của nước cho phép dụng cụ chứa nước có thể chứa nước ở một mức nhất định phiá trên mặt dụng cụ mà không bị tràn ra, và điều đó cho phép các động vật nhỏ đi trên mặt nước (hình 2.17)
2.17 Surface Tension Water striders “skate” along, supported by the surface tension of the water that is their home. their home.