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水的基本知识

信息来源:欧德惠   发布时间:2015-03-27

 水的基本知识

水是什么?
今天,任何一个普通的中学生都知道,水的分子是由氢和氧两种元素的原子组成的。但是,人们对水的认识却经历了一个漫长的历史过程。最早,水是以元素的面貌出现在人们的心目之中。还在远古时代,我国朴素的元素论“五行说”开始萌芽。到战国末期“五行说”有了成文记载,如《尚书·洪范》写着:“……五行:一曰水、二曰火、三曰木、四曰金、五曰土。”把水放在五行之首,这说明在古代人的认识中,水是被作为一种元素看待的。
在欧洲,人们起初同样也认为水是一种元素,这似乎是一个偶然的巧合,实际上有它的必然,它反映了人类对物质世界的认识规律。欧洲小亚细亚的自然哲学家最早的代表人物泰勒斯认为水是万物之母,稍后出现的毕达哥拉斯虽然放弃了把水当作惟一元素的概念,但他仍然摆脱不开“水是元素”这一基本宗旨,认为一切物质都是由土、水、气、火四种“元素”(不是现代化学上元素的概念)组成的。甚至到了17世纪,艾萨克·牛顿爵士仍认为所有的东西都是由水构成,而且,水是物质中最简单也是最基本的。这些错误观念一直延续至18世纪末期。
第一个用实验证明水不是元素而是化合物的是英国科学家卡文迪许。这位科学家用了一个非常独特的方法:将水蒸汽通过一根被烧得通红的枪管,结果使他惊奇:获得了一种能够燃烧的气体。巧合的是,这种气体与他使金属作用于稀酸而获得的、被他称为“易燃空气”的那种气体一模一样。
此后不久,另一位科学家普利斯特里做了一个刚好与他相反的实验。他将“易燃空气”和空气混合放在闭口的玻璃瓶中,用电火花点火,竟然发出了震耳欲聋的爆鸣声,而且原来干燥洁净的玻璃瓶内壁上出现了露珠。
本来科学实验是产生正确结论的先兆,这些出色的实验从正反两方面清楚地告诉人们,水是一种地地道道的化合物,而不是一种元素。遗憾的是,卡文迪许和普利斯特里都是“燃素论”的忠实信徒,错误的指导思想阻碍着正确结论的导出。他们还坚持着水是一种元素的错误结论。
又过了一年,法国著名的科学家拉瓦锡重复了上述实验。他通过分析和归纳,抛弃了传统的错误观念,第一次提出正确的结论:水不是一种元素,而是氢和氧的化合物。从此,水才以一种崭新的面貌出现在人们眼前。并且,拉瓦锡还将卡文迪许认为的“易燃空气”正式命名为“氢”,意思是“成水元素”。

水分子结构

随着科学技术的进步,人类终于揭开了水的秘密。组成水分子的3个原子是共价结合的,形成了氧原子在两个氢原子之间的特殊结构,3个原子不在一条直线上,而呈三角形排列,两个氢原子和中心氧原子所形成的键角约105°,不论是在气、固或液态,氧与每个氢的核间距离,即氢-氧键长总是0.96A。在氧原子上,相对于两个氢原子的相互方向,存在着两个带负电的电子云,这是水表现出特殊性质的关键所在,它仍吸引相邻水分子的氢核,形成所谓的氢键。氢键并不是特别强,但能使分子排列成特殊的立体构型,从而有效地影响水的理化性质。气态水分子大体上是彼此独立的,除碰撞外,它们之间的相互作用很微弱。固态水分子彼此强烈地相互作用,形成一个有序的点阵结构。1个水分子将相邻的4个分子吸引在自己周围,形成四面体结构。水结冰时,形成六角环叠层式的点阵。
水,虽然由两种元素构成,但它的家庭成员却极其复杂。这是因为,氢有3种同位素(即质子数相同,而中子数不同的同一元素的原子),它们分别是氕1H、氘2H(或者写作D,也就是重氢)、氚3H(或者写作T,也就是超重氢),氧同时也有3种同位素,即16O,17O和18O,于是氢和氧这6种同位素就可以彼此组合形成18种水分子:1H216O、1HD16O、D216O、1HT16O、DT16O、T216O、1H217O、1HD17O、D217O、1HT17O、DT17O、T217O、1H218O、1HD18O、D218O、1HT18O、DT18O、T218O,它们都是水家族中同位素的亚种。
在水的同位素家族里,1H216O占了整个天然水的99.73%,其余的17种含量都很低,合起来仅占约0.27%,其中的8种又占0.26%。由氕、氘和氚这3种氢原子所构成的水,分别称作氕水(即一般的水)、氘水(重水)和氚水(即超重水)。
地球上氘很少,平均每6800个氕原子中才有1个氘原子,人们发现超新星爆炸或银河系中心爆炸时,在冲击波中可能出现氘。在星际空间里氘要多些,平均每200个氕原子大约有1个氘原子,1979年,天文学家发现银河系的边缘存在着氘(包含在氢氰酸分子中),但银河系的中心,氘却很少。有人据此认为这些氘可能是大爆炸时形成的。从而,他们得出了宇宙将继续膨胀下去的结论。

水的特性
水具有很多特性,没有这些特性,生命将不可能存在。水对许多物质来说是一种很好的溶剂,水是生命过程中营养物质和废弃物的主要运输媒介。水具有很高的介电常数,比任何其他纯液体都高。因此,绝大部分离子化合物可以在水中电离。除了液氨,水的比热容比任何其他液体和固体都高,为1cal•g-1•K-1 (1cal =4.1855J)。因此,需要较多的热量才能改变水的温度,水可以起到稳定周围地区气温的作用,同时可保护水体中水生生物免受由于温度急剧变化造成的伤害。水的汽化热很高,为585cal/g(20℃),这也是稳定水体温度和周围地区气温的因素,它还对水体与大气之间热量与水蒸气的转化产生影响。水在4℃时密度最大,因而冰浮在水面上,大的水体一般不会全部冰冻成固体。此外,水具有突出的界面特性,除汞以外,水的表面张力最大,达到73dyn•cm-1(1dyn•cm-1=10-3N•m-1),而其他液体大多在20~50dyn•cm-1范围,水的这种特性对各种物理化学过程和机体生命活动都有显著的影响。

水的结构与分子团簇
众所周知,水是由氢和氧两种元素组成的。水的最简单化学式为H2O,是由一个氧原子与两个氢原子以共价键连接而成。它是一种独特的液体。
通过X射线对水的晶体(冰)结构的测定,O–H键角为104.50°,通过对水蒸气分子的测定O–H距离为0.096nm。H–H距离为0.154nm, 1916年Burt和Edgar精确测定了H2和O2化合成水的体积,并用密度数据算得H和O重量比为H︰O=1.0077︰8.0000,从而准确获悉水的分子式是H2O。
水是一种极性很强的分子,由于水分子中裸露的H原子核与相邻水分子中电负性较大的氧原子上的孤对电子之间存在静电吸引而形成氢链,氢链使若干水分子相互缔合形成水的团簇(water cluster)。因此,水除以单分子形式存在外,还可存在缔合度大小不等的各种水分子簇。近年来的大量研究表明,在自然条件下水主要是以分子簇的形式存在。根据热力学计算,如果水是以单个分子形式存在,熔点就应该是-110℃,而沸点为-85℃,但实际上水的熔点是0℃,沸点是100℃。物质具有熔点、沸点随相对分子质量增大而升高的性质,这表明水并不是以单个分子形式存在,而是以水分子簇的形式存在,也就是说单个水分子在氢键作用下,水分子之间相互缔合成由几个、十几个甚至几十个水分子构成的分子集团。可以认为,液体水是由水分子、分子簇以及由水的微弱离解生成的氢离子和氢氧根离子组成的一种多相液态结构。
应当指出,水分子团簇结构与功能的研究是21世纪人类科技研究的前沿热点。到目前为止,这方面的研究已经取得了一定的进展,特别是近年来随着光谱科学(各种红外、拉曼光谱、17O-NMR核磁及激光技术等)与微观测试技术以及计算机科学的不断发展,水分子簇微观结构的研究进入了量子时代,但是由于单体水分子既氢是给体,又是氢受体,从而在液态水中形成比较复杂的氢键网络,加上极性水分子之间动态的较强作用力,所以与其他弱束缚系统相比,液态的水分子特征难于直接测量和表征,要获得严格意义上的水分子结构比较困难。因此,仍然需要更进一步的理论和实验研究。我们期待能在不久的将来看到水分子结构的真正面貌。

水分子有多大
1908年,法国物理学家佩林计算出了水分子的大小,因此获得1923年的诺贝尔物理奖,水分子很小,1000万个水分子依次紧密排列,只有4毫米长。

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