Vesimolekyyli
Vesimolekyyli muodostuu yhdestä happi- ja kahdesta vetyatomista. Vesimolekyylin rakenne on tetraedrimainen. Ydintä ympäröivällä sisimmällä pallosymmetrisella orbitaalilla (1s-orbitaali) on kaksi elektronia, energialtaan seuraavaksi korkeammalla 2s-orbitaalilla samoin kaksi elektronia, ja loput neljä elektronia ovat avaruudellisesti suuntautuneilla p-orbitaaleilla, niille mahdollisimman tasan jakautuneina.
Tertraedri ei kuitenkaan ole ihan täydellinen.
Tetraedrissä orbitaalien välinen kulma on vastaavasti 109,4o, mutta vedessä se onkin
104,5o. Tämä johtuu sitoutumattomasta elektroniparista, mikä vaatii pienemmän tilavuuden,
myös elektronien välinen poistovoima on suurempi kuin toisen
elektroniparin vastaavat ominaisuudet. P-orbitaaleilla, energialtaan korkeimmilla elektroniorbitaaleilla, on neljä sidoselektronia. Yksi elektronipari on samalla orbitaalilla (joka on siis täysi), kaksi muuta elektronia ovat yhteisiä kahden vetyatomin kanssa niin, että happi- ja vetyatomien väliin muodostuu kovalenttinen sidos.
Elektronien esiintymistodennäköisyys on hieman suurempi happiatomin ympäristössä ja siitä johtuu vesimolekyylin poolisuus. Tämä aiheuttaa vuorovaikutuksen - vetysidoksen - veden happiatomin ja kahden sen lähistöllä olevan vesimolekyylin vedyn välillä.
Vesimolekyylit voivat liittyä vetysidosten kautta toisiinsa suureksi löyhäksi molekyyliparveksi. Vetysidosten vahvuus on noin kymmenesosa tavallisen kovalenttisen O-H-sidoksen vahvuudesta. Vetysidoksen purkamiseen tarvittava energia on n. 10kJ/mooli. Varsinaisen kemiallisen sidoksen purkamiseen tarvitaan n. 100 kJ/mooli.
Vesi on erinomainen väliaine hidastamaan
lämpötilamuutoksia luonnossa. Coulombiset (sähköstaattiset) ja van der Waals (dipoli-dipoli) vuorovaikutukset määräävät nestemäisen ja kiinteän veden rakenteen. Sen ansiosta veden sulamis- ja kiehumispisteet ovat hyvin korkeat. Veden sulamislämpö (eli siis energian määrä, joka
tarvitaan rikkomaan riittävästi vetysidoksia kiteisen rakenteen muuttamiseksi nestemäiseksi) on 320 J/g, energia lämpötilan kohottamiseksi sulamispisteestä kiehumispisteeseen on 420 J/g ja höyrystymislämpö on 2260 J/g. Kaikkiin vaiheisiin liittyvät energiamäärät ovat huomattavasti suuremmat kuin useimmilla muilla yhdisteillä.
Vetysidosten ansiosta vesi on myös erinomainen
liuotin. Vetysidosten muodostuminen on syynä veden suureen liuotuskykyyn. Epäorgaaniset suolat, kuten natriumkloridi, esiintyvät vesiliuoksissa ioneina. Vesiliuoksessa dissosioituneita varauksellisia ioneja ympäröi vesimolekyyliverho, joka eristää vastakkaismerkkiset ionit toisistaan. Siitä johtuen anionit ja kationit eivät pääse riittävän lähelle muodostaakseen saostuvaa molekyyliä ja pysyvät liuenneina.
Poolittomat aineet eivät juuri liukenee veteen (useimmat hiilivedyt). merellä tapahtuvissa öljyonnettomuuksissa veteen pääsyt öljy muodostaa lautan, josta vain poolisimmat komponentit liukenevat ja
keveimmät haihtuvat. Öljylautta ehtii tavallisesti rantaan ennen hajoamistaan ja aiheuttaa suuria tuhoja eläimistölle.
Syksyllä veden jäätyessä vapautuu runsaasti lämpöenergiaa, joka hidastaa jäähtymisprosessia. Keväällä sulamiseen sitoutuu vastaavasti energiaa, mikä puolestaan hidastaa lämpenemistä. Makean veden tiheysmaksimin lämpötila +4oC aiheuttaa kerrostumisen järvivesissä niiden lämmetessä. Pintaveden lämpötilan lähestyessä jäätymispistettä raskaampi vesi painuu pohjaan. Jäätymisprosessissa tiheys pienenee, joten jää kelluu veden pinnalla, muodostaen eristävän kerroksen veden pinnalle.
Jään muodostumisen nopeudella ja ajankohdalla on suuri ekologinen merkitys. Vesimassat sekoittuvat kunnes jääpeite eristää vesimassat ilmakehästä ja keskeyttää täyskierron. Leutoina talvina, jolloin jääpeite muodostuu myöhään koko vesialtaan lämpövarasto on pienempi kuin kovina talvina jään muodostuessa nopeasti. Tästä johtuu lämpötilasta riippuvan orgaanisen materiaalin hajotusprosessin nopeus.
Veden suolapitoisuus vaikuttaa voimakkaasti veden tiheyteen ja samalla se alentaa veden jäätymispistettä:
a) vähäsuolaiset vesimassat (s pienempi kuin 25): ilmakehän jäähdyttäessä pintaveden alle tiheysmaksimin lämpötilan, muodostuu vertikaalikierto pintaveden sukeltaessa pohjalle. Kierto jatkuu kunnes muodostunut jää eristää vesimassat ilmakehästä.
b) voimakassuolaiset vesimassat (s on suurempi kuin 25): jäätymispiste
on alhaisempi kuin vähäsuolaisissa vesissä ja vesimassa jäähtyy
tasaisesti kunnes se voi jäätyä kokonaan.