水的结构与性质资料

HH0水分子结构10*-*5a0.9594 A它却是又小又简单的分子。它由两个氢原子分别和氧原子键合而成（见图 1）。水分子的三个原子形成104.5度角。每个氢原子和氧原子之间的键, 叫共价水分子键，通过分享一对电子形成。应当指出，一对电子的共享程度并不均衡。 氧比氢更需要电子（这种特性称为负电性）。换言之，氢原子和氧原子键 合时，在这个过程中共价电子主要在负电的氧原子周围运动。因此，共价 键氧的一侧带负电（-），氢的一侧带正电（+）（高中物理课本就介绍过电子 带负电）。如果水是线性分子，这些电荷就无关紧要。这种分子应该对称（见图2）。 （为了检验水等由三个原子组成的分子的对称性，画一条横线与一条 竖线穿过分子中部。如果分子对称，上下、左右看上去都应该一样。）正 电荷均匀地分布在 负电荷周围，作用相互抵消。只有一个电荷中心；分子 为无极分子。但是水分子为非线性，呈角分布，因而差异很大。因为呈角分布，因而分子不对称。在负电荷周围，正电荷不均匀分布。 作用不能水分子相互抵消，两者都有自己的电荷中心。分子有正负极。这是有极分子，化 学家称为偶极子。事实上，水是一种特殊的有极分子，其有极属性比几乎 其他所有分子都明显。因而水分子呈非线性，且呈角分布。这方面哪怕稍有差池，生命就不 会存在。黏在一起因为偶极子有正极与负极，活像小磁铁。分子的正极吸引邻近分子的 负极，从而分子黏在一起。蜂蜜黏性大，就是这个原因。图 5为水分子相 互吸引的示意图。用虚线表示吸引，因为偶极子间相互吸引涉及氢原子，故称为氢键（氢 键表示含氢的有极分子间的相互吸引。氢键比水分子内氧与氢两种原子间 的共价键弱）。水分子因其有明显的水分子偶极子属件而由稳固的氢键结合在一起。它们趋于牢牢地粘在一起。牢固 到什么程度？用一个医药用的滴管，将水滴小心地滴到硬币上。在水尚未 从硬币边沿溢下来之前，数一下硬币上的水滴数。为了用别的方法演示水分子的黏性，在两个玻璃杯或茶杯中分别装上 油和水，尽量将它们放平（和平面平行），分别在两种液体上轻轻地放一个用密度比水和油大得多的钢制成的小纸夹。纸夹本应沉入液体中，但事 实是它漂浮在水面上，而不是在油上浮着。其实，纸夹浮在水面上并非因为有 浮力，或两者存在密度差异，而是 因为水有黏性，水面上的分子粘在一起构成透不过去的覆盖层，叫表面张力。将纸夹往水面下压，纸夹就会沉下去。黏在一起的分子形成固体和液体。为了使分子不黏在一起而相互分开， 并变成气体，必须向水中增加大量的能量，通常都通过加热。就是说，水 的沸点高，往往呈液态。必须将水温提高到 212F(100C)，分子才能有 足够能量克服氢键的强作用力而分开。温度在 32F(0C )和212F之间 时，水为液体。世界上几乎所有地区的水全年多半为液体。但是如果水不呈角分布，无极性，而不是有极性，就不会很黏，水的 沸点水分子将特别低。如果水无极性，估计在-85F( -65C )就会沸腾，那么在地球 的所有温度下水都应该是气体。实际上水是液体，水分子呈角分布且有极性，而不是呈线性分布且无 极性，因此水成为生命的源泉。水的异常现象多数物质受热时密度减小(将物质的紧密度或将分子挤压在一起的程 度看作密度最为方便)，以一块铜币为例。铜币受热时，铜原子运动加快 且扩散。铜币所占空间略有增加，密度减小。继续加热直到最后熔解。液 态铜的密度肯定比固态小。液体铜受热，其分子继续扩散，密度越来越小。 几乎所有的纯物质都按照这一规律，但水例外。水在50F (10C )时为液体，我们将水冷却，而不将其加热。据推测， 水冷却时，分子运动减慢，相互靠近，水的密度增加。但在39F(4C)时出现了反常现象，将水进一步冷却时，水分子开始扩散32F(0C) 时，水凝固，水分子进一步扩散，体积增加近10% (在温度低于“凝固点” 的地区，必须往汽车水箱中加入防冻液，就是这个原因。一旦水凝固，会 将汽车的发动机组胀破)。也就是说，39F 水的密度比32F时水的密度 大。任何温度下，液体水的密度都比冰的密度大。冰块在水面上漂浮，就是这个原因。这一反常现象，归因于冰中的水分子形成一种相当开放的晶 体结构。溶解时，这种开放结构崩溃，分子进一步聚拢，加大了物质的密 度。这种开放结构只有在水温达到39F时才完全崩溃。水的反常现象对我们周围的世界产生有趣的影响。例如，季节变化时， 湖泊和深的池塘发生的变化。冬天来临，气温下降，湖面的水受冷，密度 加大而下沉，下面的温度稍高的水上升又被冷却。温度在 39F以上时， 水受冷会下沉。由39F降到32F时，水的密度减小，停留在表面，最后 凝固成冰。水体自上而下凝固。而几乎所有其他液体是自下而上凝固。湖泊或池塘中的水，自上而下凝固，即使在气温低于32F时仍能保持液态。水面的冰起了热障的作用，将下面的液体同上面寒冷的空气 隔开。除了浅池塘外，水体底部通常保持液态。因此，海洋生物能在严冬 中生存下来。水的性质综述水的物理性质是指水的 热学、力学、电学、光学、声学等特性，让我们从以下几 项指标，来了解水异常惊人的物理特性。密度大家知道，一切物质受热时都增大自己的体积，即 热胀冷缩，同时减小密度。水 也具有这种性质，但是在 0C和4之间例外，此时随着温度的升高，水的体积并不 是增加，而是缩小。4C时水的密度最大。因此，水的体积和温度之间的关系不是直 线关系，而是曲线关系，这和大多数物质不一样。将冰逐渐加热融化成0C的水，这时结晶中的空隙由于水的侵入而被填充，使0C 水的密度比冰的密度急速增大。但比较起来，此时水的分子空隙并不是完全填满的， 其密度应为0.99987g/cm3。可在4C时，水的空隙被依次填满了，此时的密度最大， 为1. 000g/cm3。而大于4C的水则发生热膨胀，分子运动逐渐变得活跃起来，其密 度又逐渐变小了。尽管水有上述异常，但它仍然是密度的标准，4C时，1cm3的水的质量为1g。冰点和沸点标准大气压下，水的冰点为 0C,沸点为100 C。不难看出，这又是以水的物理 特征为标准，进行温度的测定。如果以氢和化学元素周期表中Via族的一些化合物，如H2Te、H2Se、H2S、H20 相比较，计算一下它们的相对分子量，结果发现水的冰点和沸点不在其他 3个化合物 的普遍规律性之中，其他3个化合物的相对分子量越大，沸点和冰点就越高。假如水也符合此规律，那么水的冰点似乎应为一 90C- 120C,沸点大约为一 75C- 100C, 而实际上则分别为全0C和100C,相差甚远。水的沸点随压力的增加而升高，很久以前，水的这一性质被用在山地高程的确定 上。沸腾时的温度也随水中溶解物质含量的增加而升高。压力和水的冰点之间存在着另一种奇异的关系：在2200个大气压以下，随着压力的增加冰点降低；越过2200个大气压以后，水的冰点随压力增加而升高。3530个 大气压力下，水于-17 C结冰；6380个大气压下为 0C； 16500个大气压力下为60C,而20670个大气压力下，水在76C时才结冰。如果后两种情况存在，那么我 们便可以得到热冰。但事实是在地球岩石圈和上地幔并不存在着这样温度和压力的组 合。汽化热为了保证液体能在 恒温下蒸发，必须向它提供足够的热量以补偿由于高能分子的 逃逸所造成的损失，这份热量称为汽化热。汽化热不是水所特有的，任何液体蒸发时 都需要吸收这份热量，只是水的汽化热特别高，才是它的突出之处。水具有超乎寻常的汽化热，在日常生活和生产上得到了应用。比如，大的食堂利 用锅炉蒸汽来蒸饭；手扶拖拉机则利用它来散热。汽化热在恒温下是一个常数。温度 变了，汽化热将随之发生变化。液态水变成气态的水蒸气，水分子本身的大小依然如故，保持不变，但是，分子 间的距离却大大增加了，体积发生了惊人的变化。如1摩尔水，在1个大气压下，100C 时，体积约为18.8mL ；当变成水汽后，在同样条件下，体积增大到301000mL。也就是说，体积增大了 16000倍。我们可以想象，利用蒸汽做功时，发挥的力量该是多大 啊！熔化热（融解热）水的熔化潜热很高，在0C和一个标准大气压下，大约为333.69J/g。这是指水凝 结成冰时放出的热量，或冰熔化成水时需要吸收的热量。水的熔化潜热与一般物质相比，除了其值较高（例如，纯铁的熔化潜”热为25J/g， 硫的是39.8SJ/g，铅的是23J/g ）夕卜，还有一个异常的特点：冰在一个大气压力下的 温度，可以为-1-7C之间，看来好像是冰的温度越低，需要熔化它的热就越多，这 个结论似乎是理所当然的，我们普通读者-作为热物理学的门外汉-对这个问题大概 不会有太多的异议。然而，事实却并非如此，一70 C时，熔化潜热并不是333.69J/g，而是301.45J/g !这真是一个不容争辩，而且相当难以置信、出乎意料的异常特性。冰 的温度每降低1度，其熔化热大约减少2J，因为冰的单位热容量比水小。热容量把1克物质的温度升高（或下降）1C时所需要（释放）的热量称作比热容，在数量上等于此物质的热容量。在15C时，水的热容量为41868J/ （gOC）也就是说，1g水，若要使其温度上升1C,需要41868J的热量。这又是以水的物理特征作为标 准的一个例子。水的热容量比大多数物质的热容量都大（只有氧、铝等的热容量比水大）。例如，土和砂之类的物质，热容量为0. 84J/ （gC）,铁和铜等金属仅为0. 42J/ （gC）, 酒精和甘油为1. 26J/ （gC）,铂为0. 12J/ （gC）,木料为0. 6J/ （gC）。这种水 与土之间热容量的巨大的差异，反映在气候学上，就是海洋性气候比大陆性气候升温 慢，降温亦慢，变幅较小的现象。除汞和液态水外，一切物质的单位热容量都随温度的升高而增加。在035 C,水的单位热容量随温度升高而降低，在35C以后，水的热容量则随温度的升高而增加。 水的热容量和水的密度一样，与温度的关系不是直线，而是曲线关系。例如，25 C和50C时水的单位热容量一样，都是 4. 17843J/ （gC）。表面张力和附着力表面张力是水以及固体的边界分子联结、集合、缩小体积（内聚力）的一种能 力。水的表面分子凝聚形成张力膜，若要破坏张力膜需要相当大的力，也就是说，水 的表面张力比较大。比水重8倍多的东西，比如保险刀片和针等能够平放在水面上而 不会沉入水下。18C时水的表面张力是 72X10 5J/cm2，应该说这个数值是很高的， 因为，酒精的表面张力为22 X 10-5J/cm2，丙酮为24 X 10-5J/cm2，汽油为29 X10 5J/cm2。事实上，水的表面张力在所有液体中仅次于水银（其表面张力约为500X105J/cm2 ）而名列第二。水所具有的较强的表面张力控制着土壤和植物中的水分存在 状况，影响着地球表层的自然地理现象。水还有一个奇怪的性质，就是在细玻璃管（毛细管）中可以观察到粘着性”（附着性）。毛细管中的水向上升，与引力（重力）相反。在与空气接触的边界层里，水 分子的凝聚力，同水使管壁湿润对管壁粘着力相配合，结果，毛细管中便形成高于 自然水面的凹形面。具有更大表面张力的汞没有粘着力，所以汞在毛细管中不是凹形 面，而是凸形面。必须注意，水对油质管壁不粘着，比如水在内壁涂以石蜡的毛细管 中的液面，如同汞一样是凸形，而不是凹形。毛细常数的概念是指液体的上升高度与毛细管半径的乘积。纯水的毛细常数随温度的升高而呈线性减小，而在达到极限时等于零。15C时水的极限毛细上升高度，粗砂为0.2m，细砂为1.2m，而纯粘土则为12m。上升持续的时间是：粗毛管为 510 天，细毛管16个月，这在土壤物理学上有着重大的实际意义。动力粘滞性（内摩擦力）水的这个性质在通过孔隙介质（比如沙）的渗透过程中有很大意义。矿化水，尤 其是盐水，在相同温度下透过孔隙介质时，其 粘滞性大大提高。0 C条件下，纯水的 动力粘滞系数为1. 789 X 102Pas,而100C时只是0. 282X102Pas，少了约5/6。为比较起见，我们以汞的粘滞系数为例，0 C时等于1. 69X102Pas, 100 C时为 1. 22X102Pas，仅仅减少了 7%。水蒸气的粘滞系数，15C时只有0 98Pas，即比 同温度下水的粘滞系数小得多，差了 180倍。水的粘滞性高和表面张力大，合起来的作用使农田水分流失较慢，无需经常灌溉； 反之，如果水分流失较快，就需要经常灌溉。水的介电常数电容器的电容C,由于电极板之间存在的物质种类不同而有很大的变化。这种变 化的程度，可用下式定义的介电常数。来表示，其数值为该物质及其状态所固有： C=C0式中，和C0分别为在电极板间有物质存在时和 真空时电容器的电容。的值, 在空气中是1. 0006，在云母中为604，在CS2中为2.6左右，水的值特别大，一定 条件下为80左右。水的介电常数高是由于分子极性强造成的，这个性质使水成为一 种优良溶剂。水的颜色谁都知道：水是无色、无味、无臭的液体。可是，著名诗人白居易在描绘江南水乡美好春色时却说：“日出江花红胜火，春来江水绿如蓝。”是诗人的艺术夸张和丰 富想象吗？碧波荡漾的海洋为什么又是蔚蓝色的呢？原来这是由太阳光所引起的，当太阳光照射在浅薄的水层时，光线几乎毫无阻挡 地全部透过，因此，水看上去是无色透明的。而当太阳光照射在深水层时，情况发生 了变化。不同波长的光的特征就表露出来，产生不同效果。波长长的光线穿透力强， 容易被水吸收；波长短的光穿透力弱，易发生散射和反射。红、橙和黄色一类波长较 长的光，进入水体，在不同的深度被相继吸收，并利用它们自己储蓄的能量将海水加热；蓝光、紫光波长较短，经散射和反射后映入我们的眼帘，因此，浩渺海水便显得 蔚蓝一片。如果水体中含有大量粗而带色的悬浮物，或有为数众多的浮游生物繁殖，水也会 出现某种特殊的颜色。例如，红海中生长了大量的蓝绿藻，其体内藻红素将红海变成 名副其实的红色海洋；黄海则由于 黄河带来大量黄色泥沙而呈黄色；黑海的命名应该归功于其深水中含有的硫化氢；而 白海则完全是由于周围环境的皑皑冰雪所致，也难 怪古人云“近朱者赤，近墨者黑 ”。水的其他物理性质水除了具有上述较为奇异的物理性质外，还有一些其他异常的物理特性， 例如，水的导热性较其他液体小，在 20 C时水的热导率为0.00599 J/ ( scm. C),冰 的热导率为0.0226 J/ (scm C),雪的热导率与雪的密度有关，当密度为0 1kg/L时，其热导率为0.00029 J/ ( scmC )。水的压缩率很小，体积压缩系数为 4.74X10-10m2/N，般认为不可压缩。光在水中的传播速度为空气中的75 %。水的折射率为 133，所以在以空气为界面的情况下，光在水中可以产生全反射。纯水几 乎是不导电的，天然水有微弱的导电性，含有离子杂质(盐类)的水则是良好的导体水是最常见的物质，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。表31水的某些异帛性爾廉其意兴性质特点意爻状态一般为液态提供生命介质S流动性热容非常大良好的倍热介质，调节环境和有机怀的温度熔解热非常大使水处于稳定的液态，调节水温衆发执.T % s、非常大对水姦气的大气物理性质有意殳，调节水谥密度&龙时极犬水体冰冻始于表面，控制水体中温度分布，保护水生生物表面张力非常犬生理学控制因素，控制液滴等表面现象介电常数非常犬高度濬解离子性物质并使苴电离水合非常广泛对污染物是良好濬剂和载带体，改变溶质生物化学性质iSr-teE 罔用T非常少提供中性介质透明度透过可见光和檢波段紫外线，在水体深处可发生光合作用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HOH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OH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：更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大；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3.98C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。原文地址：水分于是由两个氢原子和千个氧原子所组成的，三个原子排列成以两个氢原子为底， 以氧原予为顶的等腰三角形，因此水分子有很强的极性，冰分子之间又有氢键，所以，水在 许多方面表现出很特殊的性质。比如，沸点、比热容、气化热、溶解性、嵌面张力等性质都 表现出明显的特殊性。由于“相似相溶”原理对非极性或极性小的污垢的溶解分散作用很差， 因此单独用水难于清洗油污、非极性高聚物等。“相似相溶”原理“相似”是指溶质与溶剂在结构上相似；“相溶”是指溶质与溶剂彼此互溶。例如， 水分子间有较强的氢键，水分子既可以为生成氢键提供氢原子，又因其中氧原子 上有孤对电子能接受其它分子提供的氢原子，氢键是水分子间的主要结合力。所 以，凡能为生成氢键提供氢或接受氢的溶质分子，均和水“结构相似”。如ROH（醇）、RCOOH（羧酸）、R2C=0（酮）、RC0NH2（酰胺）等，均可通过氢键与 水结合，在水中有相当的溶解度。当然上述物质中 R 基团的结构与大小对在水 中溶解度也有影响。如醇：ROH，随R基团的增大，分子中非极性的部分增 大，这样与水（极性分子）结构差异增大，所以在水中的溶解度也逐渐下降。 对于气体和固体溶质来说， “相似相溶”也适用。对于结构相似的一类气体，沸点 愈高，它的分子间力愈大，就愈接近于液体，因此在液体中的溶解度也愈大。如 02的沸点（90K）高于H2的沸点（20 K），所以02在水中的溶解度大于H2的溶 解度。对于结构相似的一类固体溶质，其熔点愈低，则其分子间作用力愈小，也就愈接 近于液体，因此在液体中的溶解度也愈大。氢键 Hydrogen Bond与电负性大的原子X （氟、氧、氮等）共价结合的氢，如与电负性大的原子Y （与X相同的也可以）接近，在 X与Y之间以氢为媒介，生成X-H.Y形的键。这种键称 为氢键。氢键的结合能是28千卡（Kcal ）。因多数氢键的共同作用，所以非常稳定。 在蛋白质的a-螺旋的情况下是N-H.O型的氢键，DNA的双螺旋情况下是N-H.O, N-H.N型的氢键，因为这样氢键很多，因此这些结构是稳定的，此外，水和其他溶 媒是异质的，也由于在水分子间生成O-H.O型氢键。因此，这也就成为疏水结合形 成的原因。氢键是一种比分子间作用力稍强，比共价键和离子键稍弱的相互作用。形成同种分子之间现以HF为例说明氢键的形成。在 HF分子中，由于F的电负性（4.0 ）很大，共 用电子对强烈偏向F原子一边，而H原子核外只有一个电子，其 电子云向F原子偏移的结果，使得它几乎要呈 质子状态。这个半径很小、无内层电子的带部分正电荷的 氢原子，使附近另一个HF分子中含有负电子对并带部分 负电荷的F原子有可能充分 靠近它，从而产生 静电吸引作用。这个静电吸引作用力就是所谓氢键。即F-H.F。不同种分子之间不仅同种分子之间可以存在氢键，某些不同种分子之间也可能形成氢键。例如 NH3与H2O之间。所以这就导致了氨气在水中的惊人溶解度:1体积水中可溶解700 体积氨气。形成的条件与电负性很大的原子A形成强极性键的氢原子。较小半径、较大电负性、含孤对电子、带有部分负电荷的原子 B （F、O、 N）氢键的本质：强极性键（A-H）上的氢核，与电负性很大的、含孤电子对并带有部分 负电荷的原子B之间的静电引力表示氢键结合的通式氢键结合的情况如果写成通式，可用 X H.Y表示。式中X和Y代表F，O， N等电负性大而原子半径较小的 非金属原子。X和Y可以是两种相同的元素，也可以是两种不同的元素。对氢键的理解氢键存在虽然很普遍，对它的研究也在逐步深入，但是人们对氢键的定义至今仍 有两种不同的理解。第一种把X H.Y整个结构叫氢键，因此氢键的键长就是指 X与Y之间的距离， 例如F H.F的键长为255pm。第二种把H.Y叫做氢键，这样H.F之间的距离163pm才算是氢键的键长。这 种差别，我们在选用氢键键长数据时要加以注意。不过，对氢键键能的理解上是一致的，都是指把X H.Y H分解成为HX和HY所需的能量。（5）氢键的饱和性和方向性氢键不同于范德华引力,它具有饱和性和方向性。由于氢原子特别小而原子 A和 B比较大，所以AH中的氢原子只能和一个B原子结合形成氢键。同时由于 负离子 之间的相互排斥，另一个电负性大的原子B就难于再接近氢原子。这就是氢键的饱和 性。氢键具有方向性则是由于电偶极矩AH与原子B的相互作用，只有当AH-B 在同一条直线上时最强，同时原子B一般含有未共用电子对，在可能范围内氢键的方 向和未共用电子对的对称轴一致，这样可使原子B中负电荷分布最多的部分最接近氢 原子，这样形成的氢键最稳定。强度氢键的牢固程度键强度也可以用键能来表示。粗略而言，氢键键能是指每拆 开单位物质的量的H.Y键所需的能量。氢键的键能一般在 42kJmol-l以下，比共价 键的键能小得多，而与 分子间力更为接近些。例女口 ,水分子中共价键与氢键的键能是 不同的。而且，氢键的形成和破坏所需的活化能也小，加之其形成的空间条件较易出现， 所以在物质不断运动情况下，氢键可以不断形成和断裂。分子内氢键某些分子内，例如HNO3、邻硝基苯酚分子可以形成分子内氢键，还有一个苯环 上连有两个羟基，一个羟基中的氢与另一个羟基中的氧形成氢键。分子内氢键由于受 环状结构的限制，X H.Y往往不能在同一直线上。分子内氢键使物质熔 沸点降低。 分子内氢键必须具备形成氢键的必要条件，还要具有特定的条件，如：形成平面环，环的大小以五或六原子环最稳定，形成的环中没有任何的扭曲。氢键形成对物质性质的影响氢键通常是物质在液态时形成的，但形成后有时也能继续存在于某些晶态甚至气 态物质之中。例如在气态、液态和固态的 HF中都有氢键存在。能够形成氢键的物质 是很多的，如水、水合物、氨合物、无机酸和某些有机化合物。氢键的存在，影响到 物质的某些性质。熔点、沸点分子间有氢键的物质熔化或气化时，除了要克服纯粹的分子间力外，还必须提高温度，额外地供应一份能量来破坏分子间的氢键，所以这些物质的熔点、沸点比同系列氢化物的熔点、沸点高。分子内生成氢键，熔、沸点常降低。例如有分子内氢键的 邻硝基苯酚熔点（45C）比有分子间氢键的间位熔点（96C）和对位熔点（114C） 都低。溶解度氢键与沸点关系图在极性溶剂中，如果溶质分子与溶剂分子之间可以形成氢键，则溶质的溶解度增大。HF和NH3在水中的溶解度比较大，就是这个缘故。粘度分子间有氢键的液体，一般粘度较大。例如甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物 由于分子间可形成众多的氢键，这些物质通常为粘稠状液体。密度液体分子间若形成氢键，有可能发生缔合现象，例如液态HF，在通常条件下，除了正常简HF分子外，还有通过氢键联系在一起的复杂分子 (HF)n。nHF(HF)n。 其中n可以是2, 3, 4。这种由若干个简单分子联成复杂分子而又不会改变原物质 化学性质的现象，称为分子缔合。分子缔合的结果会影响液体的密度。氢键形成对物质性质的影响分子间氢键使物质的熔点(m.p)、沸点(b.p)、溶解度(S)增加，分子内氢键对物质 的影响则反之。以HF为例，F的电负性相当大，电子对偏向F,而H几乎成了质子，这种H 与其它分子中电负性相当大、r小的原子相互接近时，产生一种特殊的分子间力 氢键.表示为：F 日于一H (不是直线)氢键两个条件：1.与电负性大且r小的原子(F, O, N)相连的H ; 2.在附近有电负性大，r小的原子(F, O, N).特点饱和性和方向性由于H的体积小，1个H只能形成一个氢键由于H的两侧电负性极大的原 子的负电排斥，使两个原子在 H两侧呈直线排列.除非其它外力有较大影响时，才 可能改变方向.氢键的强度介于化学键和范式力之间,和电负性有关.F H F O H O N HNE/kJmol-1 28.0 18.85.4氢键对于化合物性质的影响分子间存在氢键时，大大地影响了分子间的 结合力,故物质的熔点、沸点将升高 CH3CH2-OH存在分子间氢键，而分子量相同的 H3C-O-CH3无氢键，故前者的b.p. 高。HF、HCl、HBr、HI ,从范德华力考虑,半径依次增大，色散力增加,b.p.高，故 b. P.为HI HBr HCl,但由于HF分子间有氢键，故 HF的b.p.在这里最高，破 坏了从左到右b.p.升高的规律.H2O, NH3由于氢键的存在，在同族氢化物中b.p. 亦是最高.H2O和HF的分子间氢键很强，以致于分子发生缔合，以(H2O)2、(H2O)3、(HF)2、(HF)3形式存在，而(H2O)2排列最紧密，4C时，(H2O)2比例最大，故4C 时水的密度最大.可以形成分子内氢键时，势必削弱分子间氢键的形成.故有分子内 氢键的化合物的沸点、熔点不是很高。氢键的表示法R1-X H H /H OR2-Y H H /H OX属于电负性大的原子，如F,O,N（C1负电性和N相同，但Cl体积较大不易生成 氢键，故Cl无氢键.）Y必须具有未共用电子对. 水是人们生活中最常见也是最重要的物质之一。水是最重要的溶剂，因而水是生物 体中最主要组成部分，水是生命之源。水也具有一些其他液体不同的物理和化学性质，有关 水的各种问题，值得大家去关心。水的结构在气态时，单个水分子的结构已准确测定。其中OH键的键长为95.72xl0-i2m，两 个 OH 键之间夹角为 104.52。但在液态时（水）以及固态时（冰）或水合物晶体中，水 分子的结构与气态完全不同。水是极性分子，它的正电性一端（H）常和负离子或其他分子 中的负电性结合形成氢键（例如OH.O、OH.N、0H.C1等，其中的虚线线段表 示氢键，实线段表示共价键）。负电性的一端（O）常和正离子或其他分子中的正电性一端 结合成氢键（例如O.HO、O.HN）,或和Mn+配位，形成水合离子。日常生活中见到 的冰、霜、雪均呈四面体的结构形式，如图所示。其中每个水分子与另外四个水分子搭成一 个正四面体的结构。每个氧原子周围有四个氢原子，其中有两个氢原子离得较近，它们与氧 原子以共价键结合，另外两个氢原子离得稍远，它们以氢键相结合。这四个氢原子中的每一 个又分别联结另外一个氧原子。其中两个氢原子以共价键与氧原子结合，而另外两个氢原子 以氢键与氧原子结合。这四个氧原子正好位于正面体的四个顶点上。这是一种较为疏松的结 构，故冰的密度较小。至于水在液态时的结构，已研究得很多。水中存在相当多的 OH.O 氢键，也可存在类似于冰那样的四面体结构，这些均已被实验所证实。但水的真实结构图像 尚不十分清楚，因而目前对磁化水、n水等的结构、作用和机理也都有待研究。水的反常膨胀人们都熟知水有反常膨胀现象。冰熔解时体积反而变小，水的密度不是在oc,而是 在4C时最大。这是因为冰和水中都有以氢键相结合的部分。当冰熔解为0C的水时，热运 动能破坏了部分氢键的结构，部分水分子填补了原来的四面体结构中的空隙，故0C的水要 比0C的冰的密度大。水的温度从0C逐渐升高时，有两种使其密度改变的因素：一是由于 继续有部分氢键遭破坏，空隙继续被水分子填入而使密度增加；另一种是正常液体的热膨胀 现象。在4C以下第一种因素占优势，故在04C间，其密度随温度升高而增加，这就是水 的反常膨胀现象。4C以上第二种因素占优势，发生正常膨胀。正因为冰的密度比水小，而 水在4C时密度又最大，因而江河湖海一般不致冻结到底，使水生生物得以越冬。除冰以外， 铋、锑也有熔解时的反常膨胀。水的其他物理性质 水有很高的摩尔热容。按能量均分定理，水蒸气（有6个自由度）的摩尔定体热容为3R, 故其比热容。实验测得水汽在0C时的比热容为1.396kJkg-i,说明符合较好。按杜隆-珀替 定律，冰的定体摩尔热容也是3R,由于固体的Cp-Cv，故其定压比热容。卩叫“恋灯畑1, 实验测得在0C的冰的定压比热容为1.911kJkg-i,虽然有明显差别，但数量级还是符合较好 的。实验测出水在0C、25C、100C的定压比热容分别为 4.217kJk、4.168kJkg-1、 4.196kJkg-1,实验值与能均分定理的结果相差较大，而且液态水的热容不随温度升高而单调 变化（先降低后升高）。这一现象发生的主要原因仍然是氢键的作用。水在升温时不仅增加 热运动能量,还要不断地破坏氢键。冰的熔解热较低，但升华热又较高。前者是因为冰熔解时只有15%的氢键被破坏；后者 是因为冰中的分子是按四面体结合的,在每一个共价键的另一侧又附加上一个氢键。升华时 破坏的键能多。水的汽化热很高，甚至比任何氢化物都要高得多。这是因为当温度升高到沸点时，水中仍 有相当数量的氢键。水的黏度和表面张力系数均较大，这也是因为水中存在氢键，使分子之间作用力加强的缘 故。水是应用最广的极性溶剂。水是极性分子，所以水有很高的介电常数。水又可形成氢键， 因而水对盐类有极高的溶解能力。水可溶解如氯化钠、硫酸那样的离子化合物，以及如氨、 糖、氯化氢等许多有极性的共价键分子。在硫酸分子溶解于水的过程中，由于水分子的正负 极分别与SO42-离子及与H+离子之间的作用力均大于硫酸分子内部离子间作用力，所以当硫 酸分子被加入水中时，具有极性的水分子会将硫酸分子拆开，使每个离子均被水分子所包围。 水分子的负极性与H+离子结合，而水分子的正极性与SO42-离子结合。在这种溶解过程中常 伴有能量的释放和吸收，所释放的能量称为溶解热。例如未溶解前一个硫酸分子的能量要比 溶解后硫酸离子的总能量高0.8eV，所以硫酸溶解于水时要发热。像硫酸那样溶解于水时会 产生离子的物质称为电解质。极性共价键分子溶于水时并不产生离子，不过它的正极性端也 面对水分子的负极性端，它的负极性端也面对水分子的正极性端，这样同样能组成溶液。水对红外光的吸收能力特强。实验发现，纯水对波长在（1.72.1）x10-5m范围内的红外光 其吸收能力明显强于水对其他波长光的吸收，且明显强于一般的其他分子对该红外光的吸 收。这一性质有很多实际应用。如工业上的低温高效干燥器的原理是，从红外辐射器辐射出 来的红外光，照射在含水物体上，大部分为水所吸收，使水分子很快被蒸发掉，而整体温度 并不高。在医疗上的红外治疗，是利用肌体中的水及其他蛋白质、糖和核酸等物质中的 OH、 NH 键很容易吸收红外光，从而增加活动机能。水的其他物理性质为：水在20C时的等温压缩系数为4.5x10-10mN-1；在20C时的黏度为 1.01x10-3Nsm-2；水的临界温度为647.30K,临界压强为220.43x105Nm-2，临界摩尔体积为 56.25x10-5m3.moH；水在 20C 的体胀系数为 0.207x10-3K-1。论文示例：