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性质与其它性质比较在自然地理系统中的重要意义热容量在所有的固体和液体中能阻止温度变幅过大;水体大规
是最高的(除NH3外)模运动时携带和输送的能量巨大融解热最大(除NH3外)由于吸收与放出融解热,使得在冰点时有恒温作用,以此进行热量的调节汽化热在所有的物质中最高巨大的蒸发潜热对于能量和水分的输送具有特别重大意义
热膨胀最高密度的温度随着盐淡水的最高密度在冰点之上,对于度的增加而下降,纯水湖泊河流中的温度分布与垂直交时的最高密度为4℃,换有重大作用而不是冰点0℃表面能力在所有液体中最高控制着土壤及植物中的水分存在状
况,影响着自然地理面中的一切表面现象溶解能力一般说来具有比其它液体对于化学元素分布的变化,迁移,溶解更多种物质的能力,对于化学风化作用,对于生物的并有较大的溶解度生长等极为重要介电常数在所有液体中最高对于无机溶解物的引力有头等的
重要性,它能造成高度的电离电离度很小为一中性物质,既含有H+,也含有OH-1透明度相对较大对于红外及紫外的电磁辐射能的吸收大,对可见光部分的选择吸收比较小,因此水是“无色的”,它控制着在水体处自然地理面的
厚度热传导所有液体中最高在小尺度的能量转移中,具有极(除水银外)大的重要性
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