水的结构及特性

Question

如题所述

Answer 1

（一）水的结构

在水分子中，氢、氧原子核呈等腰三角形排列，氧核位于两腰相交的角顶上，而两个氢核则位于等腰三角形的两个底角上，两腰夹角为104°45´〔图2.1（a）〕。整个水分子核则浸于其核外10个电子所组成的电子云中〔图2.1（b）〕。

水分子中氢、氧原子的这种排列，使水分子在结构上正负电荷静电引力中心不重合，从而形成水分子的偶极性质，即位于氧原子一端为负极，而位于氢原子一端为正极。

一个偶极分子极性程度的大小，可根据其偶极矩的大小来判断。水分子的偶极矩μ＝1.86×1O-18静电单位×厘米，其偶极矩比许多其它物质都大，具有较强的极性。因此，当水分子相互靠拢时，相邻水分子间由于具有偶极性而发生相互静电吸引。这种吸引是由于水分子中氧原子的电负性较强，能对相邻水分子中的氢原子产生静电吸引，从而使相邻的水分子联结起来。两个分子之间由氢原子形成的一个键称为氢键，水分子之间就是靠氢键相联结的。

相邻水分子间由于有氢键联结，使水能以（H₂O）_n巨型分子存在，但它不会引起水的化学性质的改变，这种现象称为水分子的缔合作用。这种缔合可用下列平衡式表达：

水文地球化学基础

事实上，自然界中的水只有以汽态存在时才呈单分子水，而以液、固态存在时均呈巨型分子形式存在。具体而言，（H₂O）_n中的n，一般变化于12-860之间，主要取决于温度变化，仅在250—300℃时，n值接近1，即水具有H₂O形式。

水的缔合程度随温度降低而增强。当温度为4℃时，缔合程度最大，水的密度也最大。

此外，除上述正常状态的水结构形式外，尚存在双变态结构的水，即两个氢原子被另一个面的对角所捕获。在水中，正态水结构状态的含量在0—75%之间转换，而双变态结构的水分子含量在25—100%之间转换。

（二）水的特异性质

由于水的结构很特殊，这就导致它具有一系列的独特性质。水与一般液体相比，在物理化学性质方面有一些不符合一般规律的现象。水所具有的特异性质可概括如下：

1.水具有独特的热理性质

（1）水的生成热很高。生成热是指稳定单质生成1mol化合物时的反应热。水的生成热为－285.8kJ/mol，故水的热稳定性很高，在2000℃的高温下，其离解不及百分之一，约为0.588%，所以，水能在地球初期的炽热温度下存留下来。

（2）水具有很高的沸点和达到沸点以前极长的液态阶段，这是水分子偶极间引力大大超过一般液体之故。

水是氧的氢化物，将它与氧的同周期和同族的相应各元素的氢化物相比，我们就可以看到水的这一特性（表2.1）。从表中可以看出，这些元素的氢化物的热理性质随分子量减少而有规律地降低。按此规律，水的熔点和沸点应分别为－106℃和－81℃，这和实际上的熔点和沸点相差甚远。

表2.1　Ⅵ主族元素氢化物的某些热理性质

水具有如此反常高的熔点和沸点以及很高的分子熔化热和汽化热，致使水分子由冰到水到汽的相态转化需要很多热能，以破坏众多氢键。也正因为这一反常特性，使地球上得以有液态水的存在，才能有生命物质的繁衍。

由于水的热传导、热容、熔化热、汽化热以及热膨胀几乎比所有其它液体都高，因此水能起到调节自然界温度的作用，防止温差变化过大，使地球上的气候适于人类居住与动植物生长。相反，在无水的月球，昼夜温差高达200℃。

2.水具有较大的表面张力

水与其它液体相比，具有较大的表面张力（汞除外）。它随温度升高而减少（见表2.2）。

水的表面张力对研究包气带水的地球化学现象具有重要意义。

3.水具有较小的粘滞度和较大的流动性

表2.2　水的表面张力

粘滞度是一种表征液体内部质点间阻力（内摩阻）程度的性质。一般来说，液体的运动可视为液体的变形，而粘滞性就是一种阻抗液体质点间形变的能力。水分子的极性和氢键联结决定了水的粘滞度小，流动性大。据已有资料表明，在lV/cm的电场下，水分子的H⁺（质子）的活动性为32.510^-4cm/s,OH^-的活动性为17.810^-4cm/s，而其它离子的活动性只有6×10^-4cm/s。同时，水分子在热运动过程中，经常不断地进行新的排布和联结。

4.水具有高的介电效应

在水中盐类离子晶体发生离解时，一些水分子围绕着每个离子形成一层抵消外部静电引力（或斥力）的外膜，它会部分地中和离子的电荷，并阻止正、负离子间的再行键合。这种水分子的封闭外壳起绝缘效应（或屏蔽效应），称为介电效应。

水的介电常数ε，在常温下为81,0℃时为88,100℃时为56。常温下ε＝81，表示正负离子在水中相互吸引力比在真空中减小81倍。

5.水具有使盐类离子产生水化作用的能力

水中离子与水分子偶极间的相互吸引作用，使水中正、负离子周围为水分子所包围，这种过程称盐类离子的水化作用（或称离子的溶剂化作用）。这种作用是多数盐类能溶于水的原因。

6.水具有良好的溶解性能

水对固体的溶解性能主要是由于水是极性分子，介电效应高，能使盐类离子产生水化作用等特性所致。

在高温高压下，水是一种活性水，其水分子结构处于亚稳状态。这时水的导电性、溶解能力、pH值等物理的和化学的性质变异，使水具有更高的侵蚀性，因而其溶解能力增大。前苏联学者用热压器中的活性水对CaCO₃进行溶解试验，发现活化后的水对CaCO₃的溶解度比活化前大1.15—2.6倍。

此外，在高温高压下，SiO₂可大量溶于水中（表2.3）。

表2.3　高温高压条件下SiO₂溶解试验

试验还证明，在300—340℃、（390—400）×10⁵Pa条件下，活性水可以从淡色花岗岩、微斜长石及黑云母中溶出SiO₂、A1₂O₃、K₂O、Na₂O等成分。

（三）水的离解产物

水可以按下式进行离解：

水文地球化学基础

由于质子（H⁺）不能单独存在，在水溶液中H⁺与H₂O缔合成H₃O>⁺（水合离子）的形式存在。在标准状态下，水的平衡常数

水文地球化学基础

因［H⁺］数值很小，应用不方便，所以一般用〔H⁺〕离子浓度的负对数作为水溶液的酸碱性指标。

（四）水的同位素组成

氕（H）、氘（D）、氚（T）是氢元素的三种同位素。氚是氢的放射性同位素，衰变时发射β－射线，生成氦：

它在水中以氚水（HTO）形式存在。¹⁶O、¹⁷O、¹⁸O是氧元素的三种同位素。它们在水中的丰度见表2.4。

表2.4氢氧同位素在水中的丰度^〔8〕

若一种元素有几种同位素，则对于一种化合物来说，就有许多种同位素分子变种，可统称为同位素分子。若不考虑痕量sH，天然水中氢氧同位素可以有九种不同的同位素分子（表2.5）。

表2.5天然水同位素分子

注：括号内为分子量

天然水中同位素分子以

为主，其它丰度较大的有以下几种：

H₂¹⁷O（0.042%）,HD¹⁶O（0.032%），而HTO浓度只有