3.1 水的特性和水分子结构
水是最常见的物质,但它有许多异常特性。也正是由于这些特性,才使水在自然界和人类生活中普遍发生巨大作用,成为支配自然和人类环境中各种现象的主要因素。要研究水及其中杂质共同表现的水质特性,需先深入了解水本身的特性。表3-1归纳了这些特性。
在地球表面的环境条件下,水可能呈三种物理状态,即液态、气态和固态。由于沸点和冰点间温度范围相当宽,且相变热很大,所以地球表面大量的水还是呈液态,于是构成了各种类型的天然水系。通常条件下呈液态这一点也正是水的最重要特点之一。
水的特性与水的分子结构相关。水分子中的氧原子受到四个电子对包围,其中两电子对与两个氢原子共享,形成两个共价键;另外两对是氧原子本身所持有的孤对电子。四个电子对间由于带负电而互相排斥,使它们有呈四面体结构的倾向,但因孤对电子占据的空间较小,与共享电子对相比具有更大的斥力,因此使H—O—H键角由109.5°(几何正四面体)缩减到104.5°。图3-1(a)展示了单个水分子中四个电子对所形成的电子云形状。
氧原子具有比氢原子大得多的电负性,所以水分子中的两共享电子对趋向于氧而偏离氢,于是就在两个孤对电子上集中了更多负电荷,使水分子成为具有很大偶极矩的极性分子。这样的一个水分子就有可能通过正、负电间静电引力与近傍的四个水分子以氢键相联系。分子间氢键力大小为18.81kJ/mol,约为O—H共价键的1/20,冰溶化成水或水挥发成水汽,都首先需要外界供能破坏这些氢键。图3-1(b)显示了水分子中氢键的一些结构参数。
冰和液态水的结构模型如图3-2所示。当冰开始熔化成水时,冰的疏松的三维氢键结构中约有15%氢键断裂,晶体结构崩溃,体积缩小而密度增大。如果有更多热能输入体系,将引起:①更多氢键破裂,结构进一步分崩离析,密度进一步增大;②体系温度升高,分子动能增加,由于分子振动加剧,而每一分子占据更大体积空间,所以这一因素又使密度趋于减小。上述两因素随温度升高而相互消长的结果,使淡水在3.98℃时有最大密度。这种情况对水生生物越冬生活具有特别重要意义。
在气相中的水极大多数以单分子形态存在,在一般温度和压力条件下,只有少量以二聚体或三聚体的形态存在。
从水的分子结构和水分子有形成较强氢键能力等基本性质出发,还可以解释表3-1中所列举的液态水的其他特性,如“热惰性”、大的表面张力等。