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水的結(jié)構(gòu)及其模型

更新時間:2018-01-10點擊次數(shù):4567

一、水分子結(jié)構(gòu)

H2O分子結(jié)構(gòu)中,是以O核為頂?shù)牡妊切?。在水蒸氣分子中測定: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(gòu)型為1S1,氧原子的電子構(gòu)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(jié)合為4對,構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)

二、液態(tài)水的結(jié)構(gòu)

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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)

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(jié)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(jié)構(gòu)是六方晶系晶格,因此,冰的晶體具有較大的空隙,即水結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn),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。