技术文章
Technical articles一、水分子结构
H2O分子结构中,是以O核为顶的等腰三角形。 在水蒸气分子中测定:O-H距离为0.9568埃,H-H距离为1.54埃,H-O-H的键角为104.5°。
氢原子的电子构型为1 S1,氧原子的电子构型为1S22S22P4。氧的2S22P4等6个电子以不等性SP3杂化规道与两个氢原子的1 S1电子结合为4对,构成O-H共价键及两对孤对电子。
H-O-H所在平面与孤对电子所在平面是相互垂直的。
氢原子的S电子云与氧原子的P电子云相重叠,形成整个水分子的统一电子云,其电子云密度主要集中在氧核附近。从而构成氧端带负电、氢端带正电的典型极性分子。
水分子的偶极距很大,μ=1.84德拜。----极性甚强。
图1-1 水的分子结构
二、液态水的结构
1、液态水的结构
水在液态下不是以单个水分子的形式存在,而是通过氢键产生缔合分子。
水的缔合是放热过程,所以温度升高,水的缔合程度下降,即(H2O)x的x值减小。在高温时,水主要以单分子状态存在。温度降低时水的缔合度增大,即(H2O)x的x值增大。273.16K时水结成冰,全部水分子缔合成一个巨大缔合分子。
每个水分子可以同相接近的另外四个水分子生成四个氢键。五个水分子之间就形成了四个氢键。
氢键能并不是高,但它的数目多,切可在三维方向延伸展开,若全部饱和,总的氢键结合能可达10.2kcal/mol,对分子间作用来说已相当大。
气态的水分子大多是单个分子,间或有二聚体,很少三聚体。
2、液态水的结构模型
连续模型,或均相模型:在冰溶解为水时,并未使氢键断裂,只是发生氢键的弯曲或扭转,氢键的能量随H-O-H键角而变化。
混合模型:在冰溶解时有一部分氢键解体,液态水中存在一部分单个的自由水分子,而有相当部分仍以微小冰晶粒子状态存在(其中包含有数十个水分子而成为水的缔合体)。--一般水中是由自由水分子与微细晶体碎屑共存。
闪动模型:水分子之间的缔合不是固定的,而是在每一瞬间不断地交换对象,形成水分子的自扩散。
三、冰的结构
冰中的每一个水分子都被相邻的四个水分子包围,每个水分子位于变形四面体的顶点,冰是由无数个这样的四面体通过氢键互相连结成一个庞大的晶体。
在冰中, O-H距离为0.99埃,H-O-H的键角为109°30′。
由于氢键的方向性要求,水分子不能做到紧密堆积,整个冰的结构是六方晶系晶格,因此,冰的晶体具有较大的空隙,即水结成冰后,体积增大,密度减小。
晶格排列整齐的是普通的冰,称为I或 Ih型,其密度只有0.92g/cm3。水分子的中心距离由2.67埃到3.47埃。
在不同的低温和高压下,冰的形态结构有13种相变,其密度从0.92到1.63g/cm3不等。