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水的結構及其模型

一、水分子結構
h2o分子結構中,是以o核為頂?shù)牡妊切巍T谒魵夥肿又袦y定:o-h距離為0.9568埃,h-h距離為1.54埃,h-o-h的鍵角為105°3′(or104.5°)
氫原子的電子構型為1s1,氧原子的電子構型為1s22s22p4。氧的2s22p4等6個電子以不等性sp3雜化規(guī)道與兩個氫原子的1 s1電子結合為4對,構成o-h共價鍵及兩對孤對電子。
h-o-h所在平面與孤對電子所在平面是相互垂直的。
氫原子的s電子云與氧原子的p電子云相重疊,形成整個水分子的統(tǒng)一電子云,其電子云密度主要集中在氧核附近。從而構成氧端帶負電、氫端帶正電的典型極性分子。
水分子的偶極距很大,μ=1.84德拜。----極性甚強。
圖1-1水的分子結構
二、液態(tài)水的結構
水在液態(tài)下不是以單個水分子的形式存在,而是通過氫鍵產(chǎn)生締合分子。
水的締合是放熱過程,所以溫度升高,水的締合程度下降,即(h2o)x的x值減小。在高溫時,水主要以單分子狀態(tài)存在。溫度降低時水的締合度增大,即(h2o)x的x值增大。273.16k時水結成冰,全部水分子締合成一個巨大締合分子。
每個水分子可以同相接近的另外四個水分子生成四個氫鍵。五個水分子之間就形成了四個氫鍵。
氫鍵能并不是高,但它的數(shù)目多,切可在三維方向延伸展開,若全部飽和,總的氫鍵結合能可達10.2kcal/mol,對分子間作用來說已相當大。
氣態(tài)的水分子大多是單個分子,間或有二聚體,很少三聚體。
三、冰的結構
冰中的每一個水分子都被相鄰的四個水分子包圍,每個水分子位于變形四面體的頂點,冰是由無數(shù)個這樣的四面體通過氫鍵互相連結成一個龐大的晶體。
在冰中,o-h距離為0.99埃,h-o-h的鍵角為109°30′。
由于氫鍵的方向性要求,水分子不能做到緊密堆積,整個冰的結構是六方晶系晶格,因此,冰的晶體具有較大的空隙,即水結成冰后,體積增大,密度減小。
晶格排列整齊的是普通的冰,稱為i或 ih型,其密度只有0.92g/cm3。水分子的中心距離由2.67埃到3.47埃。
在不同的低溫和高壓下,冰的形態(tài)結構有13種相變,其密度從0.92到1.63g/cm3不等。
第二節(jié)液態(tài)水的結構模型
連續(xù)模型,或均相模型:在冰溶解為水時,并未使氫鍵斷裂,只是發(fā)生氫鍵的彎曲或扭轉,氫鍵的能量隨h-o-h鍵角而變化。
混合模型:在冰溶解時有一部分氫鍵解體,液態(tài)水中存在一部分單個的自由水分子,而有相當部分仍以微小冰晶粒子狀態(tài)存在(其中包含有數(shù)十個水分子而成為水的締合體)。--一般水中是由自由水分子與微細晶體碎屑共存。
閃動模型:水分子之間的締合不是固定的,而是在每一瞬間不斷地交換對象,形成水分子的自擴散。

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