水环境监测实用手册：水分子结构特征

（一）水的分子结构特征

水是地球上最常见的物质。水与一般液体物质相比，其物理化学性质在很多方面不符合常规而有其特性，也正是有了这些特性，才使它在自然界中发挥出各种巨大的作用。人类生活的环境能发展到今天的状况，是与地球上存在数量巨大、性质独特的水直接相关。

组成水分子的3个原子是共价结合的，形成了氧原子在两个氢原子之间的特殊结构，3个原子不在一条直线上，而呈三角形排列（见图2-1），两个氢原子和中心氧原子所形成的键角约105°，不论在气态、固态或液态，氧与每个氢的核间距离，即氢—氧键长总是0.96Å，也就是0.96×10-8cm。在氧原子上，相对于两个氢原子的相互方向存在着两个带负电的电子云，这是水表现出特殊性质的关键所在，它吸引相邻水分子的氢核，形成所谓氢键（见图2-2），并且有多分子间的缔合反应。所以，在液态水中除有简单H2O分子外，还存在（H2O）2、（H2O）3、（H2O）4等缔合分子（见图2-3）。由于这种缔合使水的许多性质与其同族、同周期相应元素的氢化物相比，均有独特之处。

图2-1　水分子的结构

图2-2　水分子中氢键

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图2-3　水分子的缔合

（二）水的相图和三态变化

在一定条件下（温度、压力），水的三态可以互相转化，这也是自然界水循环的基础。

水从液态转化为气态称为蒸发，从气态转化液态称为凝结，从液态转化为固态称为结冰，从固态转化成液态称为融解，从固态转化为气态称为升华，从气态转化为固态称为凝华。各态的变化决定于温度和压力，水各态变化的三相图如图2-4所示。图中横轴代表温度t，纵轴代表压力P，升华曲线OS是固、气两相的分界线，气化曲线OK是为液、气两相的分界线，融解曲线OL是固、液两相的分界线，O点为三相点，即当温度为0.01℃、压力为614.6×105Pa时，冰、水和水汽三相共同处于平衡状态中。在高空的水汽，其压力和温度如低于三相点温度、压力时，可以直接凝华为固态的冰晶，形成雪花；其压力、温度如高于三相点时，水汽可转变为液态的水滴，形成雾和雨。

图2-4　水的物相图

蒸发水需要热量以克服分子间的相互拉力。1kg的水，在100℃一个大气压时，化为同温度气体，需要热量2256685J；相反，当水汽变为水，就放出相同的热量，这种热称为蒸发热。融解冰也需要热量以克服分子相互拉力。1kg的水，在0℃时，化为同温度的水需要的热量等于334525J；反之，水在结冰时将放出同样的热量。