水分子间的奥秘-水分子分子间作用力

水的结构、性质和功效(包括水对人体生理功效)三位一体,紧密相连,要了解水的物理特性和其对人体的生理功效必须对水的结构有初步认识。

自1781年英国科学家卡文迪什(1731-1810)第一个提出水是由燃素(最后证明是氢)和缺乏燃素的空气(最后证明是氧)组成的,到现在人们普遍认为水是自然界中比较简单的化学物质之一。多年后人们发现,在自然状态下,水的物理特性与同族的一些物质的物理特性完全不同,例如,硫化氢在自然状态下为气体,而水为液体。与水同族的物质其沸点都在0七以下,唯独水的沸点为100汇。

为什么水的物理特性与其他的氢化物如此不同,人们考虑到水在自然状态下应该是以簇状大分子结构存在,才使得水具有了特殊的物理特性。

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大量的研究报告显示,水分子分子间作用力,水分子间存在着强烈的吸引力,从而形成了簇状结构。要弄清楚水的结构就应弄清楚单个水分子的结构特点。当两个氢原子接近一个氧原子与其形成两个共价键(具有4()%的离子特性),于是形成了水分子。水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。如图中深色的球代表氧原子,浅色的球代表氢原子,两个氢原子之间的夹角为104°左右,液态水基本上呈四面体的形式存在。

在自然状态下水的结构非常复杂,还含有许多其他的微量成分,除了普通的同位素\+\”O和\+乜外,还存在\+\”0、\+严O、\+?H和\+3H,产生HOH有18种同位素变种。在一些特殊的情况下,水分子还会出现离子化的现象,即形成一些羟基离子及它们的同位素变种。因此水由33种以上的HOH的化学变种组成。

HOH分子的V形结构以及O-H键的极性导致电荷的不对称分布,使水分子间产生引力,因此造成水分子以相当大的强度缔合。相邻的水分子间由于有氢键连接,使水能以(h2o)的巨型分子存在,但它不会引起水的化学性质的改变。

水的缔合程度随着温度降低而增强。当温度为49时,缔合程度最大,水的密度也最大。事实上,自然界中的水只有以气态存在时才呈单分子水,而以液态、固态存在时,均以巨型分子形式存在。具体说,(H2O)中的n的数目主要取决于温度的变化。仅在20()七〜3()0七,n值接近1时,水才具有HQ表达式。科学家一直探索水的结构,大多数人认为水是氢键或静电将多个水分子连接起来而形成的多面体结构。多面体的形式主要是五角十二面体,还有由五元环和六元环等组成的其他多面体。最近又发现在特殊条件下一一超低温,可以产生由8个水的20面体(280个水分子)组成的超大的股状纳米级水分子结构。

在自然状态下水中存在各种离子或物质,这些离子或物质用静电或氢键与水分子结合使得这些物质以水合离子的形式存在。以水中硫酸根离子为例,水中1个硫酸根离子需要与16个水分结合成为一个水合离子状态。然而人们发现在硫酸根离子与这16个水分子的结合还没有完美的水合,经过加热和充分的水合后,据推测1个硫酸分子应该与500000个水结合。

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