水分子的结构和缔合方式

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：水的分子式为H2O，相对分子质量为18.015，在水分子中，氢占11.19%，氧占88.81%。关于水分子结构方面具有很强的氢键特点方面，是因为每个水分子在正极一方有两个裸露的氢核，在负极一方有氧的两对孤对电子，每个水分子都可以把自己的两个氢键交出，与其他两个水分子共有，同时又可以由两对孤对电子接收第3和第4个水分子的氢核。只有在水蒸气中各分子间氢键才完全消失，水分子才呈单个气体H2O分子存在。

1.水分子的结构

水是自然界一切生命赖以生存的物质，又是社会发展不可缺少的重要资源。水在地球上分布十分广泛，全球水资源储量约为1.36×10¹⁸m³，覆盖近70%的地球表面。水的分子式为H₂O，相对分子质量为18.015，在水分子中，氢占11.19%，氧占88.81%。常温下，水是无色、无味、无臭的透明液体，纯水几乎不导电。水具有许多异常特性，这些都与水分子的结构有关。在水分子中，三个原子核是以氢核为底、氧核为顶呈等腰三角形方式排列，如图1-1所示。

图1-1 水分子的结构

在水分子中，氢氧原子核呈等腰三角形排列，氧原子核位于三角形的顶角上，两个氢原子核位于两个底角上，水分子中氧原子的6个外层电子（2s²2p⁴）经杂化，与2个氢原子上的2个电子构成了2个O—H共价键和2对孤对电子。O—H距离为0.096nm，H—H距离为0.154nm，H—O—H所夹键角为105°（准确值104^o45′）。在水分子中，O—H线从O原子算起约0.6键长处是构成O—H共价键的两个电子，由于氧的电负性远大于氢，使它们的共用电子对在很大程度上偏向氧原子核，使氢核几乎裸露出来。水分子的电子云如图1-2所示。

氢原子的s电子云同氧原子的p电子云相重叠，形成整个水分子的电子云，其形状类似一个扭转了一半的十字体。电子云的密度主要集中在氧核附近，这样在氧核附近的大量电子完全屏蔽住原子核的正电荷，裸露出来形成两个带正电的极。这四个极并不在一个平面上，而是处在H—O—H的等分角线延长处垂直于H—O—H平面上，相对位置类似于一楔形四面体。因此，水分子中正电荷的电荷重心和负电荷的电荷重心并不是在同一个点上，故水分子是一个极性分子和偶极子，构成一端带正电，另一端带负点的极性分子。水分子的偶极距很大（μ=6.138×10^-30C·m），故极性很强。

图1-2 水分子的电子云与四个极的相对位置

2.水分子的缔合

相邻水分子间由氢键联结，使水能以缔和水分子簇（H₂O）_n的巨型分子形式存在，这种由单分子水结合成多分子水而不引起水的化学性质改变的现象称为水分子的缔合作用。如图1-3所示。

图1-3 水分子缔合示意图

液态水分子的缔合体不是固定的，它在某一瞬间受到破坏，而在下一瞬间各自又与新的对象结合。水分子缔合体的稳定时间为10^-12～10^-6s，但从统计观点看，在一定的温度和压力下存在一定缔合状态。

水分子缔合可用下列平衡表示：

水的缔合度随温度的升高而减弱，当温度为4℃时，缔合程度最大，水的密度也最大。自然界中的水只有以气态存在时才呈现单分子状态，而以液态及固态存在时均呈多分子形式存在。（H₂O）_n中的n主要取决于温度，一般认为在标准大气压和20℃时，n的平均值约为40，只有水温接近200～300℃时，n值才接近1，也就是具有单分子水的形式。

当水处于气体状态时，由于分子间距离过大，无法形成氢键，水分子基本上单独存在。固体冰中，相邻水分子以氢键结合，形成正四面体的空间网状结构。由于氢键具有方向性，导致水分子之间的孔隙变大，密度减小。冰融化后，氢键断裂，冰变成了一块块的分子团，分子团堆积使得水的密度增加。水的固态密度低于液态密度的特性对于地球生命来说有着极其重要的意义。

3.水分子结构的两个特点

水分子由于结构方面的原因，形成了两个突出的特点：一是水分子有很强的极性，二是水分子间有很强的氢键。

关于水分子结构方面具有很强的氢键特点方面，是因为每个水分子在正极一方有两个裸露的氢核，在负极一方有氧的两对孤对电子，每个水分子都可以把自己的两个氢键交出，与其他两个水分子共有，同时又可以由两对孤对电子接收第3和第4个水分子的氢核。这样在这5个水分子之间就形成了4个氢键，而每一个外围分子又可再与另外的分子继续生成氢键，从而无限地伸展下去。

由于水分子内的键角是一定的，所以水分子之间的氢键结合力也具有方向性，彼此按照四面体顶点的方式排列起来，构成立体空间结构。

在固体冰结构中，立体空间结构最明显。冰结构中的水分子氢键数目达到饱和值，即每个水分子生成四个氢键，但每两个水分子间形成了整齐排列的六方晶系晶格，使不相邻分子间保持较大空隙，冰的结构示意如图1-4所示。

图1-4 冰的结构（六方晶系）

在固体冰中，通过氢键连接的各水分子间排列紧密，它们彼此的中心距离为0.276nm，但仅相邻而不直接结合，各分子的间距要大得多，最远的达0.347nm。可见冰的结构相当疏松，其密度仅为0.92。当冰受热融化为水时，分子热运动增强，使一部分氢键解体，但是不是所有氢键都能被破坏。由0℃的冰转化为0℃的水时，大约有15%的氢键解体，若继续升高温度，将有更多的氢键随之解体。关于氢键解体的数量，一般来说，在20～40℃大约有一半的氢键解体，而即使到达100℃，也仍然有相当大一部分氢键存在。只有在水蒸气中各分子间氢键才完全消失，水分子才呈单个气体H₂O分子存在。

水分子的结构和缔合方式

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