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表1水和冰的物理性质
表2水及其同类的物的沸点和溶点
表3水的的结构(a.冰的结构骨架 b.气态单个水分子的键长、键角 c 水分子的电荷分布)

  氢和氧的化合物,分子式H2O。在古代,中国、印度和希腊人都把水看成是构成宇宙万物的基本物质原素之一。直到18世纪后期,科学家们先是发现可燃气(氢气)燃烧后得到液体水,继而使水蒸气通过红热的铁管分解得到氢气,才定性地确定了水是氢和氧所组成。其后则对水中氢气和氧气的体积比和它们的密度反复作了测定,19世纪初,得到二者重量比是H:O=1.0077:8.0000, 从而准确地得知水的分子式是H2O。

  水是很多酸、碱、盐等物质的优良溶剂,因此自然界的水总是溶有杂质。纯水是使用铂或石英器皿经过几次蒸馏得到的,它的物理性质列于表1。

  几种氢同位素组成的重水,如DOH、D2O的自然丰度很小,它们的物性数据是有别于H2O的。水是用于确定许多物理常数值的标准物,它本身的性质却有许多异常。例如,0℃时冰的密度是 0.91671克/毫升,液体水的密度是0.999841克/毫升。水在0~4℃之间, 随着温度升高,密度不是减小而是增大,到 4℃时达到最大值1.000000,过此则密度随温度升高一直减小。此外,就一组同族化合物来说,它们的沸点和凝固点一般随着化合物分子量的增加而升高,而水在它的同类物中则有着异常高的熔点和沸点(表2);与一般液体比较,水的介电常数、粘度、表面张力、比热等数值都显著地偏高。这些特性皆源于冰、水中分子间氢键缔合的结构本质。

  1933年J.D.伯纳尔和R.H.否勒指出液体水在短程和短时间内具有与冰相似的结构。1938年J.摩根和B.E.沃伦根据水的X射线实验结果证明,从1.5℃到83℃,水的最邻近分子数是4.4到4.9(见图)。

  根据这些结构知识,可以定性地解释水的各种性质。例如,在冰的结构中每个水分子皆为其他四个水分子所包围,很不紧凑,因此冰的密度较小;熔化时,这种四面体结构的一部分被拆散,使分子趋于密集,致使水的密度较大;熔化后,随着温度的上升,水中的似冰结构继续拆散,是密度增大的因素;另外,温度上升伴随着分子振动加剧,即所占体积增加。在4℃以前,前者点优势,密度随温度升高而增加;4℃以后,后者占优势,密度随温度升高而减小。这样,水的密度在 4℃有一极值。又如,水的介电常数高,是由于氢键缔合的水分子集团中和电场的能力远比单个极性分子大的缘故。此外,氢键是较范德瓦耳斯力更强的分子间相互作用,它导致水的沸点等偏高。

  由于液态中分子是运动着的,虽然水的近距有序得到了实验证据,但它的整体结构问题远未解决。当前对水的理论模型众说纷纭,概括地说,一种看法认为从冰到水部分氢键断裂了,水是不同程度氢键缔合结构的混合物;另一种看法则认为水中的氢键并未断裂而是扭曲了。

  参考书目

  D. Eisenberg, W. Kauzman,The Structure and Properties of Water,Clarendon Press,Oxford,1969.

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