3.1 水的特性和水分子结构

　　水是最常见的物质，但它有许多异常特性。也正是由于这些特性，才使水在自然界和人类生活中普遍发生巨大作用，成为支配自然和人类环境中各种现象的主要因素。要研究水及其中杂质共同表现的水质特性，需先深入了解水本身的特性。表3-1归纳了这些特性。

　　在地球表面的环境条件下，水可能呈三种物理状态，即液态、气态和固态。由于沸点和冰点间温度范围相当宽，且相变热很大，所以地球表面大量的水还是呈液态，于是构成了各种类型的天然水系。通常条件下呈液态这一点也正是水的最重要特点之一。

　　水的特性与水的分子结构相关。水分子中的氧原子受到四个电子对包围，其中两电子对与两个氢原子共享，形成两个共价键；另外两对是氧原子本身所持有的孤对电子。四个电子对间由于带负电而互相排斥，使它们有呈四面体结构的倾向，但因孤对电子占据的空间较小，与共享电子对相比具有更大的斥力，因此使H—O—H键角由109.5°（几何正四面体）缩减到104.5°。图3-1（a）展示了单个水分子中四个电子对所形成的电子云形状。

　　氧原子具有比氢原子大得多的电负性，所以水分子中的两共享电子对趋向于氧而偏离氢，于是就在两个孤对电子上集中了更多负电荷，使水分子成为具有很大偶极矩的极性分子。这样的一个水分子就有可能通过正、负电间静电引力与近傍的四个水分子以氢键相联系。分子间氢键力大小为18.81kJ/mol，约为O—H共价键的1/20，冰溶化成水或水挥发成水汽，都首先需要外界供能破坏这些氢键。图3-1（b）显示了水分子中氢键的一些结构参数。

　　冰和液态水的结构模型如图3-2所示。当冰开始熔化成水时，冰的疏松的三维氢键结构中约有15％氢键断裂，晶体结构崩溃，体积缩小而密度增大。如果有更多热能输入体系，将引起：①更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大；②体系温度升高，分子动能增加，由于分子振动加剧，而每一分子占据更大体积空间，所以这一因素又使密度趋于减小。上述两因素随温度升高而相互消长的结果，使淡水在3.98℃时有最大密度。这种情况对水生生物越冬生活具有特别重要意义。

　　在气相中的水极大多数以单分子形态存在，在一般温度和压力条件下，只有少量以二聚体或三聚体的形态存在。

　　从水的分子结构和水分子有形成较强氢键能力等基本性质出发，还可以解释表3－1中所列举的液态水的其他特性，如“热惰性”、大的表面张力等。