水的结构及其模型

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105°3′（or104.5°）

    氢原子的电子构型为1S1，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

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。

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。

第二节液态水的结构模型

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。