水的结构是怎么样的

如果不是由于水无比普遍,咱们可能会认为它是一种无比奇怪的物资。水有着一系列不同寻常的属性,而且至今咱们依然不能完整理解它的结构。

在最基本的层面上,水的结构几近不能更简单了。就像咱们都知道的那样,水的份子式是H2O,由两个氢原子与一个氧原子形成。然而,一旦咱们开始进行更为深刻的调查,在这类看上去无比简单的份子结构下,一些略微不寻常的性质就开始显现出来,并且咱们研究得越深刻,水就会变得越目生。伦敦南岸大学的化学家马丁·卓别林教授曾经编写了一份包括73项关于水的异样的地方的清单,其中一些可以通过咱们对水的结构的认知来解释,但是其他的奇怪性质至今依然是谜团。

一种较容易解释的异样是冰常常浮在水面上,这个现象咱们都知道,当咱们把冰块放在饮料中时,冰块会浮在顶部而不是沉到底部,这是由于冰的密度比水小。水是具有这类现象的极少的几种物资之一,也是独一一种常见的固体状况比液体状况轻的物资。当其他物资的液体开始凝固时,其中的原子或份子从相对于活跃的状况逐步慢下来,并开始构成固态的晶体结构,其中的粒子排列更为紧密,使得固体比液体更重。在水中却出现了相反的现象,这是由于水份子中含有特殊的氢键结构。

水的奇异的地方

水份子的基本结构是V型,底部是一个较大的氧原子,顶部两个较小的氢原子通过较强的共价键连接在氧原子上。较大的氧原子拥有比氢原子稍高的负电荷,致使整个份子表现出极性,其中氧原子带负电,氢原子带正电。这些电荷相当小,然而不同的水份子间通过相反的极性互相吸引,构成了所谓的氢键。尽管氢键比共价键弱得多,但依然对结构有所影响。当液态水温度降低,热能减少时,份子的移动开始变得更慢,份子间的距离与其他物资同样逐步减小。大约4摄氏度时,水能够达到最大密度,随着温度继续降低,份子间氢键变弱,份子间的距离增大。因而,随着冰的构成,其内部反而拥有更为开放的结构,盘踞了更大的空间体积。在寒冷的条件下,这一过程象征着冰会在湖泊和河流的顶部构成,而在冰下流动的水即可以允许生命继续存活。黏黏的水份子氢键的存在乎味着,与其他物资相比,水份子更偏向于黏在一块儿,这就解释了其他的一些奇怪性质。水拥有较高的熔点和沸点,这象征着它可以在地球表面相对于较窄的温度规模内以冰、水和水蒸气3种情势存在,从而有了天然水循环。水拥有很强的表面张力,从一些野生动物纪录片的特写中可以看出来,当一只昆虫划过时,其下方的水面也相应地曲折了—这是毛细现象,水会通过极窄的管道反抗重力向上流动。其次,水还拥有吸收招矿较多热量的能力,因而地球表面大量水的存在可以起到调理气候的作用。

目前,人们可以精确地描写水份子在气体和固体状况下的结构,然而尚无完整肯定其在液体状况下的结构。在水蒸气中,份子是可以自由移动的;而在冰中,氢键使得4个水份子构成四面体的结构,就像一座拥有三角形基座而不是正方形基座的金字塔。在教科书中,液态水通常也被描写为四面体结构,虽然它们之间的距离比固体状况下更远,并且间隙中还存在不少自由份子,这致使了液体状况下物资密度的增添。然而研究表明,这类结构不能完整解释水的所有性质,至今尚无一个独立的理论能够解释这切。所以,无论咱们对水是多么熟识,水依然是咱们的一大谜题。

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