第二节 水的基本特性

在自然界中，几乎水的全部物理性质，要么是独特的，要么是处于这种性质范围的极端状态。由此，导致了它在化学上的特殊性。这些在物理及化学上的特点，又使得它在生物学上具有不可代替的作用。这就可以清楚的看出，水在自然地理研究中的价值。

让我们首先来熟悉一下水分子的结构。由两个氢原子和一个氧原子所组成的水分子，呈非对称分布，共形状略作 V 字形，这是依据水分子的电子云分布决定的。现已清楚的是，氧原子居于中心，两个氢原子位于类似正方体之一个面的两个对角。H—O—H 之间的角度（也就是 V 字形结构之角度）为104°31′，而不是真正的正方体所应有的 109°30′。氧原子的 8 个电子分布是：两个靠近原子核，两个包含在与氢原子结合的键中。另外两对孤对电子则形成两个臂，伸向与包含氢原子那个面相对的另一个面中，分别位于该面的两个对角（见图 7.1）。这两个臂的电子云，特别引起人们的关注，因为它们显示出了一个带负电区，能吸引邻近水分子中氢原子的局部正电区， 借此力量把水分子互相连接起来，这就是水分子所表现出来的“极性”。

正因极性作用的缘故，水聚结在一起而不轻易地汽化，就是说在通常气压下，水不致在较低的温度时就沸腾。由于水分子中电荷的分布，它产生了1.84×10^-18 静电单位的偶极矩。如果水分子没有带负电的电子云臂及偶极矩，水分子之间的结合就不会如现在这样，海洋中所有液态水势必完全汽化， 生命的形成必然是不可能的。借助于极性，水分子能连接起来一直升高到近百米高的树顶，光靠毛管力及大气压力是无法解释的。

我们已经提到，液态水几乎在其所有的物理化学性质方面都是异乎寻常的。例如仅从它发生相变时的温度来说，就十分独特。元素周期表中第ⅥA 族各元素的氢化物，随着分子量由 H2S、H2Se，到 H2Te 的增大，其熔点也按照这样的序列增加。在这个正常的顺序中，唯有 H2O 是一个例外。氧在此族元素的氢化物中，具有最小的分子量，但却比其它姊妹化合物高出 60℃才能融解。在沸点方面更为突出，事实上它比应该出现的沸点高出约 160℃。很明显，这中间一定有某种力在阻碍其向气态的发展。把水分子相互结合在一起的这个力就是氢键，这一点目前已经知道的颇为清楚了。它的量级介于微弱的“分子间力”（即范德华力，约为 0.6 千卡／克分子）和典型的离子键

能（几十千卡／克分子）之间，水分子氢键键能为 4.5 千卡／克分子。它的强度是由极性分子的库伦作用力引起的。

1 立方厘米中，可以容纳（1／r³）个半径是 r 的最密堆积圆球。由于分子量已知，则在最密堆积的水分子状况下，可以算出水的密度应为每立方厘米 1.7 克，显然比水的标准密度每立方厘米 1 克要大的多。这样可以推断出

水分子远远不是分子的最密堆积。事实上，一个水分子周围通常约有 4—5

个最近的相邻水分子，而不是如理想的那样应当有 12 个。不厌其详地讨论水分子的这种基本结构，在作微观分析时是极为有用的，而且也是在考虑水的传输及其交换能量过程中必不可少的。

水的比热（升高 1 度时物质的贮热能力）比别的液体都大；水的汽化潜

热在液体中也是最大的，在 20℃时，每蒸发 1 克水需要 585 卡的热量。此外，

除水银之外，水的导热系数在一切液体中也是最大的。水的介电常数比任何其它物质都大，例如离子在水中要得到和空气中相同的吸引力，那么它们在水中的距离应降低为空气中距离的九分之一；水的表面能力在已知液体中是最大的。我们可以将这些异常的物理性质，总结在一个表中，帮助我们全面地去考察水的重要特征。

表 7．1 液态水一些异常的物理性质