水的特异特性与分子结构的关联

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：氧原子分别与两个氢原子各形成一对共用电子对，从而结合成稳定的分子。但由于共用电子对明显靠近氧原子一侧，导致氧原子附近形成负电荷中心，氢原子附近形成正电荷中心，这种现象称为水分子的极性，几乎水的所有特性都与水分子的极性密切相关。由于水分子具有极性，所以水分子中的氢原子能够与附近水分子中的氧原子发生正负电荷相吸现象，从而在临近水分子之间形成一种相互联结的作用力，称为氢键。

水具有相对高的熔点和沸点，并且比热容高、表面张力很强，所有这些可根据水分子结构的异常特性加以说明。

一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。氧原子分别与两个氢原子各形成一对共用电子对，从而结合成稳定的分子。但由于共用电子对明显靠近氧原子一侧，导致氧原子附近形成负电荷中心，氢原子附近形成正电荷中心，这种现象称为水分子的极性，几乎水的所有特性都与水分子的极性密切相关。

由于水分子具有极性，所以水分子中的氢原子能够与附近水分子中的氧原子发生正负电荷相吸现象，从而在临近水分子之间形成一种相互联结的作用力，称为氢键。因为水分子间有氢键结合，而氢键的作用比范德华作用强得多，在提高温度增强水分子热运动时，不但要克服分子间的范德华力，而且更要摆脱分子间氢键的束缚。这样，改变水的物态就需要更多的热量和更高的温度。因此，水的熔点和沸点都比按周期表推算的要高得多，熔解热和蒸发热也都有较高的数值。同样，水之所以具有很大的比热，能够储存或释放较多的热能，也是由于需要热能来调整分子间氢键数量。所以在地球绝大部分地区，其环境温度和压力都能保证水以液体形态稳定的存在，水才能够滋润万物，孕育出生命。假如水分子没有极性、失去氢键，那么水的熔点将低于-85℃，沸点将低于-60℃，那样，地球将不可能存在大量液态水，生命也就无法生存。

另外，由于氢键的作用使水的内聚力很大，内部水分子倾向于把表面的分子拉向内部，从而造成了很强的表面张力。

水的温度——体积效应异常的原因可做如下解释，当水受热温度升高时，同时进行着两种对水的密度发生影响的过程：一方面是分子的热运动，使分子间距增大，导致水的体积膨胀，密度减小；另一方面，温度升高会使若干氢键解体，这使单体水分子有可能填充到原有晶格的空隙中去，使水分子间空隙减少排列的更紧密，因而导致其体积缩小，密度增大。

水的密度随温度变化的实际结果是上述两种相反过程的综合体现。

在4℃以前，氢键解体使密度增大的过程占优势，而在4℃以后，分子热运动增强使密度减小的过程占主导地位。因此，在约4℃时水具有最大的密度，而在0～4℃，出现了温度升高水的体积缩小的异常现象。

水在结冰时体积膨胀，是因为形成完整的晶格排列使结构更加疏松。

在0～45℃，水的膨胀系数随着压力升高而增大，是由于在高压力下水分子填充空隙而缩小体积的作用不如低压下那样显著，因而随着热运动增强使体积膨胀的作用得以充分地显示出来。

水分子和许多极性物质都能形成分子间的作用力，从而破坏其他物质的原有物理形态，使其溶解于水。水的溶解能力强，介电常数大，电离能力强，化学反应活泼，这在很大程度上是由于水分子的极性强，易于同另外物质生成氢键，产生水合作用。绝大部分无机物质以及部分有机物质都能被水溶解，因此自然界几乎没有纯净的水。在漫长的地质演化过程中，流水不断溶解地表物质，使这些物质随水流迁移而不至于仅富集在某些特殊区域。此外，许多营养物质和矿物质溶于水中，从而使其能更有效地被生物体吸收和利用。

水的特异特性与分子结构的关联

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