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水分子的结构

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水分子的结构 一个水分子含有两种不同的元素;氢和氧。一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成.
  每个水分子的直径是4×10-10m
  它的体积是π/6(4×10-10)m3=3 ×10-29m3
水分子的结构
奇妙的水分子
  心脏能跳动
  血液能流动
  肺能呼吸,关节能活动,肌肉能运动
  多亏有了人体的冷却系统
  --埃维昂公司瓶装水广告语节选
  水的功能远不止这些。
  水是用得最普遍的物质。没有水就没有生命,世界气候就会是另一个样子,最要紧的是无法用微波炉加热食物。水这种物质如此特殊的原因何在?关键在于它的分子结构。
  正确的角度
  尽管水的行为复杂又独特,它却是又小又简单的分子。它由两个氢原子分别和氧原子键合而成(见图1)。
  水分子的三个原子形成104.5度角。每个氢原子和氧原子之间的键,叫共价键,通过分享一对电子形成。应当指出,一对电子的共享程度并不均衡。氧比氢更需要电子(这种特性称为负电性)。换言之,氢原子和氧原子键合时,在这个过程中共价电子主要在负电的氧原子周围运动。因此,共价键氧的一侧带负电(-),氢的一侧带正电(+)(高中物理课本就介绍过电子带负电)。
  如果水是线性分子,这些电荷就无关紧要。这种分子应该对称(见图2)。
  (为了检验水等由三个原子组成的分子的对称性,画一条横线与一条竖线穿过分子中部。如果分子对称,上下、左右看上去都应该一样。)正电荷均匀地分布在负电荷周围,作用相互抵消。只有一个电荷中心;分子为无极分子。
  但是水分子为非线性,呈角分布,因而差异很大。
  因为呈角分布,因而分子不对称。在负电荷周围,正电荷不均匀分布。作用不能相互抵消,两者都有自己的电荷中心。分子有正负极。这是有极分子,化学家称为偶极子。事实上,水是一种特殊的有极分子,其有极属性比几乎其他所有分子都明显。
  因而水分子呈非线性,且呈角分布。这方面哪怕稍有差池,生命就不会存在。
  水分子的结构黏在一起
  因为偶极子有正极与负极,活像小磁铁。分子的正极吸引邻近分子的负极,从而分子黏在一起。蜂蜜黏性大,就是这个原因。图5为水分子相互吸引的示意图。
  用虚线表示吸引,因为偶极子间相互吸引涉及氢原子,故称为氢键(氢键表示含氢的有极分子间的相互吸引。氢键比水分子内氧与氢两种原子间的共价键弱)。水分子因其有明显的偶极子属件而由稳固的氢键结合在一起。它们趋于牢牢地粘在一起。牢固到什么程度?用一个医药用的滴管,将水滴小心地滴到硬币上。在水尚未从硬币边沿溢下来之前,数一下硬币上的水滴数。
  为了用别的方法演示水分子的黏性,在两个玻璃杯或茶杯中分别装上油和水,尽量将它们放平(和平面平行),分别在两种液体上轻轻地放一个用密度比水和油大得多的钢制成的小纸夹。纸夹本应沉入液体中,但事实是它漂浮在水面上,而不是在油上浮着。
  其实,纸夹浮在水面上并非因为有浮力,或两者存在密度差异,而是因为水有黏性,水面上的分子粘在一起构成透不过去的覆盖层,叫表面张力。将纸夹往水面下压,纸夹就会沉下去。
  黏在一起的分子形成固体和液体。为了使分子不黏在一起而相互分开,并变成气体,必须向水中增加大量的能量,通常都通过加热。就是说,水的沸点高,往往呈液态。必须将水温提高到212°F(100℃),分子才能有足够能量克服氢键的强作用力而分开。温度在32°F(0℃)和212°F之间时,水为液体。世界上几乎所有地区的水全年多半为液体。
  但是如果水不呈角分布,无极性,而不是有极性,就不会很黏,水的沸点将特别低。如果水无极性,估计在-85°F(-65℃)就会沸腾,那么在地球的所有温度下水都应该是气体。
  实际上水是液体,水分子呈角分布且有极性,而不是呈线性分布且无极性,因此水成为生命的源泉。
  水分子的结构生命的灵丹妙药
  地球上的生命经过了复杂的分子形成过程,这个过程叫化学演变(参见《地球生命的起源》)。这一过程涉及许多不同混合物的混合和反应。这时,液态水是任何物质无法与之相比的最好物质,它能溶解物质,提供相互碰撞和反应的介质。水被称为万能溶剂,尤其适合溶解生命世界中的许多物质。如果没有液态水,生命肯定进化不了。生命在进入陆地之前在海洋中产生并生存了数亿年,也充分地证明水的重要性。
  生命茁壮成长的地球,有水行星之称。液态水覆盖地球表面的三分之一,重量约15×1017吨(共有28×1024滴)。
  其他行星就没有那么幸运了。火星上极其干燥,没有生命,尽管火星表面受侵蚀的沟渠表明水曾经在火星表面流动,也说明火星上可能有过生命。月球极其干燥,并因为其他原因而没有生命存在。水星也是如此。金星也因为温度很高,不可能有液态水,也不存在生命。在金星上,铅也会熔化。这是一颗名副其实的气态巨星。冥王星则是个大冰球,不可能有生命存在。
  液态水对生命的起源与维持都至关重要(只需喝一杯水,即可得到证实)。
  有人一直有些似真非真地将生物说成“一袋酶”。这说明生物的机体极其复杂,井然有序。一次必须完成上千种不同的化学反应。酶协调并加速这些反应。要是没有酶,很多反应会十分缓慢。水这种介质特别适合酶的工作,任何其他一种液体都不能像水那样充分溶解许多物质,并促使它们反应。事实上任何其他液体都没有类似的功能。水在生命体大量存在也许就是这个原因。在所有细胞中,水占70%~85%。在人体体重中,水占60%;在人体的大脑中,水占70%。在人体的骨头中,水的重量占20%。人的体重正常为150磅(68公斤),其中水占40夸脱(38升)。
  水很容易流动,这一点显然有别于油和奶油冻等黏稠液体。水容易流动,而且溶解力很强,因而它是一种很好的运输和循环流体。在血液中,水占93%,可溶解营养素、激素和代谢产物,在人体细胞中循环。
  水蒸发时还带走相当一部分热。人发烧与出汗时,皮肤将汗水蒸发,带走热量,使人体降温,水是人体的冷却剂。
  水还有比热高的特点,能很好地稳定温度,升温与降温都不很容易,因而人的体温能稳定在98.6°F(37℃)。水的温度稳定效应在生物界以外也有重要应用。
  水分子的结构水与气候 
  陆地的比热较低,升温和降温都比水快得多。因此内陆地区四季的温差比沿海地区大。例如,冰岛首都雷克雅未克和西伯利亚维尔霍扬斯克的海拔和纬度相同,日常的阳光日吸收量与强度相同,因此它们的气候,特别是温度,理应相似。然而,事实并非如此。雷克雅未克位于冰岛南海岸,临近大西洋,年温差只有20°F(11℃)。维尔霍扬斯克在亚洲大陆内陆,年温差为120°F(67℃)。水的温度调节效应在美国也很明显,奥马哈和内布拉斯加等内陆城市的年温差比加州洛杉矶等海岸城市大。
  水分子的结构水的异常现象
  多数物质受热时密度减小(将物质的紧密度或将分子挤压在一起的程度看作密度最为方便),以一块铜币为例。铜币受热时,铜原子运动加快且扩散。铜币所占空间略有增加,密度减小。继续加热直到最后熔解。液态铜的密度肯定比固态小。液体铜受热,其分子继续扩散,密度越来越小。几乎所有的纯物质都按照这一规律,但水例外。
  水在50°F(10℃)时为液体,我们将水冷却,而不将其加热。据推测,水冷却时,分子运动减慢,相互靠近,水的密度增加。但在39°F(4℃)时出现了反常现象,将水进一步冷却时,水分子开始扩散。32°F(0℃)时,水凝固,水分子进一步扩散,体积增加近10%(在温度低于“凝固点”的地区,必须往汽车水箱中加入防冻液,就是这个原因。一旦水凝固,会将汽车的发动机组胀破)。也就是说,39°F水的密度比32°F时水的密度大。任何温度下,液体水的密度都比冰的密度大。冰块在水面上漂浮,就是这个原因。这一反常现象,归因于冰中的水分子形成一种相当开放的晶体结构。溶解时,这种开放结构崩溃,分子进一步聚拢,加大了物质的密度。这种开放结构只有在水温达到39°F时才完全崩溃。
  水的反常现象对我们周围的世界产生有趣的影响。例如,季节变化时,湖泊和深的池塘发生的变化。冬天来临,气温下降,湖面的水受冷,密度加大而下沉,下面的温度稍高的水上升又被冷却。温度在39°F以上时,水受冷会下沉。由39°F降到32°F时,水的密度减小,停留在表面,最后凝固成冰。水体自上而下凝固。而几乎所有其他液体是自下而上凝固。
  湖泊或池塘中的水,自上而下凝固,即使在气温低于32°F时仍能保持液态。水面的冰起了热障的作用,将下面的液体同上面寒冷的空气隔开。除了浅池塘外,水体底部通常保持液态。因此,海洋生物能在严冬中生存下来。
  水分子的结构雪 片
  水也可以是艺术品。雪是固态水的一种,其形状美丽迷人,是自然界最精美的图案之一。但雪也常常令人想起铲雪、汽车开不动和霜伤等诸多不便。下雪时,取一片雪花放在一张黑纸上用放大镜仔细观察。就会看到雪花呈六边形,这是水分子相连的结果。如果降雪地区气温较高(仍然低于凝固点),雪花会又大又复杂。如果气温很低,雪花小且简单。因为温度较高的空气一般都较潮湿,雪晶体生成时有较多的水分子。
  这些不寻常的晶体形状差异很大。有的内部扁平像绣出的六边形,或六边圆柱体,或是星形,六边支叉从中心向外不同的方向辐射。雪晶体的形状很大程度上取决于温度,也受到雪花落到地面的速率等其他因素的影响。
  雪片的结构完全开放,就是说,雪晶体有许多大孔。因此,雪的密度比普通的冰低得多(众所周知,冰的密度又比液体水低)。实际上,厚50英寸的干粉末状的雪溶化后只有约一英寸厚的雨水。
  水蒸气在尘埃周围聚集凝固,在高层大气中形成雪。雪通常不是由液体水凝固而成,这倒挺有意思的。
  常言道找不到两片完全一样的雪花。这种说法是否站得住?从某种意义说,是正确的。普通的雪晶体约有1019个水分子。它们的三维组成几乎是无穷的。任何两片雪花的分子结构都不一样。乍一看,雪片的外形和大小都相似。《今日美国》的气象学家杰克·威廉姆斯在《天气》一书中说到:“许多小的雪晶体结构简单,为六面形雪片,形状上没有明显的不同。即使再复杂的晶体也可能相似”。
  水分子的结构振动性能好
  微波炉之所以能烹调食物,是因为食物中含水。水是一种强偶极子。电学上的水是正、负极性很强的分子。微波像无线电波、光和X射线一样是一种电磁辐射能,具有电和磁两种特性。电磁能穿过食物时,导致水等极化分子振动。振动产生热,这种热煮熟放在微波炉中的食物。微波炉并不是常说的由里向外煮熟食物,煮熟食物的热源来自食物内部而不是外部。因此微波炉做出的食物不会焦。
  水妙不可言,实际上是奇妙分子的妙不可言
  要用脑思考,用眼观察
  人体不能缺水
  终生保持强健体魄,最要紧最简便易行的方法是每天把
  水喝足
  --埃维昂公司的广告用语
  水的性质
  水的物理性质
    水的物理性质是指水的热学、力学、电学、光学、声学等特性,让我们从以下几项指标,来了解水异常惊人的物理特性。
  1、密度
    大家知道,一切物质受热时都增大自己的体积,即热胀冷缩,同时减小密度。水也具有这种性质,但是在 0℃和 4℃之间例外,此时随着温度的升高,水的体积并不是增加,而是缩小。4℃时水的密度最大。因此,水的体积和温度之间的关系不是直线关系,而是曲线关系,这和大多数物质不一样。
    将冰逐渐加热融化成0℃的水,这时结晶中的空隙由于水的侵入而被填充,使 0℃水的密度比冰的密度急速增大。但比较起来,此时水的分子空隙并不是完全填满的,其密度应为0.99987g/cm3。可在 4℃时,水的空隙被依次填满了,此时的密度最大,为1.000g/cm3。而大于4℃的水则发生热膨胀,分子运动逐渐变得活跃起来,其密度又逐渐变小了。尽管水有上述异常,但它仍然是密度的标准,4℃时,1cm3的水的质量为1g。
  2、冰点和沸点
    标准大气压下,水的冰点为0℃,沸点为100℃。不难看出,这又是以水的物理特征为标准,进行温度的测定。
    如果以氢和化学元素周期表中VIa族的一些化合物,如H2Te、 H2Se、 H2S、 H20相比较,计算一下它们的相对分子量,结果发现水的冰点和沸点不在其他3个化合物的普遍规律性之中,其他3个化合物的相对分子量越大,沸点和冰点就越高。假如水也符合此规律,那么水的冰点似乎应为一90℃--120℃,沸点大约为一75℃--100℃,而实际上则分别为全0℃和100℃,相差甚远。
    水的沸点随压力的增加而升高,很久以前,水的这一性质被用在山地高程的确定上。沸腾时的温度也随水中溶解物质含量的增加而升高。
    压力和水的冰点之间存在着另一种奇异的关系:在 2200 个大气压以下,随着压力的增加冰点降低;越过 2200 个大气压以后,水的冰点随压力增加而升高。3530 个大气压力下,水于 -17℃结冰;6380 个大气压下为 0℃;16500 个大气压力下为 60℃,而20670 个大气压力下,水在76℃时才结冰。如果后两种情况存在,那么我们便可以得到热冰。但事实是在地球岩石圈和上地幔并不存在着这样温度和压力的组合。
  3、汽化热
    为了保证液体能在恒温下蒸发,必须向它提供足够的热量以补偿由于高能分子的逃逸所造成的损失,这份热量称为汽化热。汽化热不是水所特有的,任何液体蒸发时都需要吸收这份热量,只是水的汽化热特别高,才是它的突出之处。
    水具有超乎寻常的汽化热,在日常生活和生产上得到了应用。比如,大的食堂利用锅炉蒸汽来蒸饭;手扶拖拉机则利用它来散热。汽化热在恒温下是一个常数。温度变了,汽化热将随之发生变化。
    液态水变成气态的水蒸气,水分子本身的大小依然如故,保持不变,但是,分子间的距离却大大增加了,体积发生了惊人的变化。如1摩尔水,在1个大气压下,100℃时,体积约为18.8mL;当变成水汽后,在同样条件下,体积增大到 301000mL。也就是说,体积增大了16000倍。我们可以想象,利用蒸汽做功时,发挥的力量该是多大啊!
  4、熔化热(融解热)
    水的熔化潜热很高,在0℃和一个标准大气压下,大约为333.69J/g。这是指水凝结成冰时放出的热量,或冰熔化成水时需要吸收的热量。
    水的熔化潜热与一般物质相比,除了其值较高(例如,纯铁的熔化"潜"热为 25J/g,硫的是39.8SJ/g,铅的是 23J/g)外,还有一个异常的特点:冰在一个大气压力下的温度,可以为 -1~-7℃之间,看来好像是冰的温度越低,需要熔化它的热就越多,这个结论似乎是理所当然的,我们普通读者--作为热物理学的门外汉--对这个问题大概不会有太多的异议。然而,事实却并非如此,-70℃时,熔化潜热并不是333.69J/g,而是301.45J/g!这真是一个不容争辩,而且相当难以置信、出乎意料的异常特性。冰的温度每降低1度,其熔化热大约减少2J,因为冰的单位热容量比水小。
  5、热容量
    把1克物质的温度升高l℃时所需要的热量称作比热容,在数量上等于此物质的热容量。在 15℃时,水的热容量为41868J/(g·0℃)也就是说,1g水,若要使其温度上升I℃,需要41868J的热量。这又是以水的物理特征作为标准的一个例子。
    水的热容量比大多数物质的热容量都大(只有氧、铝等的热容量比水大)。例如,土和砂之类的物质,热容量为0.84J/(g·℃),铁和铜等金属仅为 0.42J/(g·℃),酒精和甘油为 1.26J/(g·℃),铂为 0.12J/(g·℃),木料为0.6J/(g·℃)。这种水与土之间热容量的巨大的差异,反映在气候学上,就是海洋性气候比大陆性气候升温慢,降温亦慢,变幅较小的现象。
    除汞和液态水外,一切物质的单位热容量都随温度的升高而增加。在0~35℃,水的单位热容量随温度升高而降低,在35℃以后,水的热容量则随温度的升高而增加。水的热容量和水的密度一样,与温度的关系不是直线,而是曲线关系。例如,25℃和 50℃时水的单位热容量一样,都是4.17843J/(g·℃)。
  6、表面张力和附着力
    表面张力是水以及固体的边界分子联结、"集合"、缩小体积(内聚力)的一种能力。水的表面分子凝聚形成张力膜,若要破坏张力膜需要相当大的力,也就是说,水的表面张力比较大。比水重8倍多的东西,比如保险刀片和针等能够平放在水面上而不会沉入水下。 18℃时水的表面张力是 72X10-5J/cm2,应该说这个数值是很高的,因为,酒精的表面张力为22 X 10-5J/cm2,丙酮为24 X 10-5J/cm2,汽油为29 X10-5J/cm2。事实上,水的表面张力在所有液体中仅次于水银(其表面张力约为 500X10-5J/cm2)而名列第二。水所具有的较强的表面张力控制着土壤和植物中的水分存在状况,影响着地球表层的自然地理现象。
    水还有一个奇怪的性质,就是在细玻璃管(毛细管)中可以观察到"粘着性"(附着性)。毛细管中的水向上升,与引力(重力)相反。在与空气接触的边界层里,水分子的凝聚力,同水使管壁湿润对管壁"粘着"力相配合,结果,毛细管中便形成高于自然水面的凹形面。具有更大表面张力的汞没有粘着力,所以汞在毛细管中不是凹形面,而是凸形面。必须注意,水对油质管壁不粘着,比如水在内壁涂以石蜡的毛细管中的液面,如同汞一样是凸形,而不是凹形。
    毛细常数的概念是指液体的上升高度与毛细管半径的乘积。纯水的毛细常数随温度的升高而呈线性减小,而在达到极限时等于零。15℃时水的极限毛细上升高度,粗砂为0.2m,细砂为1.2m,而纯粘土则为12m。上升持续的时间是:粗毛管为 5~10天,细毛管16个月,这在土壤物理学上有着重大的实际意义。
  7、动力粘滞性(内摩擦力)
    水的这个性质在通过孔隙介质(比如沙)的渗透过程中有很大意义。矿化水,尤其是盐水,在相同温度下透过孔隙介质时,其粘滞性大大提高。0℃条件下,纯水的动力粘滞系数为1.789 X 102Pa·s,而100℃时只是0.282X102Pa·s,少了约5/6。为比较起见,我们以汞的粘滞系数为例,0℃时等于 1.69X102Pa· s,100℃时为 l.22X102Pa· s,仅仅减少了 7%。水蒸气的粘滞系数,15℃时只有 0 98Pa· s,即比同温度下水的粘滞系数小得多,差了180倍。
    水的粘滞性高和表面张力大,合起来的作用使农田水分流失较慢,无需经常灌溉;反之,如果水分流失较快,就需要经常灌溉。
  8、水的介电常数
    电容器的电容C,由于电极板之间存在的物质种类不同而有很大的变化。这种变化的程度,可用下式定义的介电常数。来表示,其数值为该物质及其状态所固有:C=εC0 式中,和εC0分别为在电极板间有物质存在时和真空时电容器的电容。的值,在空气中是1.0006,在云母中为604,在CS2中为2.6左右,水的值特别大,一定条件下为80左右。水的介电常数高是由于分子极性强造成的,这个性质使水成为一种优良溶剂。
  9、水的颜色
    谁都知道:水是无色、无味、无臭的液体。 可是,著名诗人白居易在描绘江南水乡美好春色时却说:“日出江花红胜火,春来江水绿如蓝。”是诗人的艺术夸张和丰富想象吗?碧波荡漾的海洋为什么又是蔚蓝色的呢?
    原来这是由太阳光所引起的,当太阳光照射在浅薄的水层时,光线几乎毫无阻挡地全部透过,因此,水看上去是无色透明的。而当太阳光照射在深水层时,情况发生了变化。不同波长的光的特征就表露出来,产生不同效果。波长长的光线穿透力强,容易被水吸收;波长短的光穿透力弱,易发生散射和反射。红、橙和黄色一类波长较长的光,进入水体,在不同的深度被相继吸收,并利用它们自己储蓄的能量将海水加热;蓝光、紫光波长较短,经散射和反射后映入我们的眼帘,因此,浩渺海水便显得蔚蓝一片。
    如果水体中含有大量粗而带色的悬浮物,或有为数众多的浮游生物繁殖,水也会出现某种特殊的颜色。例如,红海中生长了大量的蓝绿藻,其体内藻红素将红海变成名副其实的红色海洋;黄海则由于黄河带来大量黄色泥沙而呈黄色;黑海的命名应该归功于其深水中含有的硫化氢;而白海则完全是由于周围环境的皑皑冰雪所致,也难怪古人云“近朱者赤,近墨者黑”。
  水分子的结构10、水的其他物理性质
    水除了具有上述较为奇异的物理性质外,还有一些其他异常的物理特性,例如,水的导热性较其他液体小,在20℃时水的热导率为 0.00599 J/(s· cm·℃),冰的热导率为 0.0226 J/(s·cm·℃),雪的热导率与雪的密度有关,当密度为 0.1kg/L时,其热导率为 0.00029 J/(s·cm·℃)。水的压缩率很小,体积压缩系数为 4.74X10-10m2/N,一般认为不可压缩。光在水中的传播速度为空气中的75%。水的折射率为1.33,所以在以空气为界面的情况下,光在水中可以产生全反射。纯水几乎是不导电的,天然水有微弱的导电性,含有离子杂质(盐类)的水则是良好的导体。 
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分类:净水器知识| 发布:zhanfengwei| 查看: | 发表时间:2009/10/23
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