水分子间的联结与排布

（一）氢键

水分子之间是靠氢键使其联结起来的。所谓氢键，目前一致认为是一种静电吸引作用而产生的附加键。即是由于当水分子中的氢原子，在保持同本分子氧原子的最基本共价键的同时，因水分子中氧原子的电负性较强，又能同相邻水分子中氢原子产生一种静电吸引的结果。这种引力（即氢键强度）比普通分子间力（范德华力）要强一些，但比典型的离子键要弱一些。氢键具有饱和性和方向性。这样一来，水分子就具有两种类型的键，即存在于水分子内部的氢、氧原子间的极性共价键和存在于相邻分子间的氢键。

氢原子在通常情况下是一价的，但在有氢键联结的情况下又似乎是二价的。形成氢键是氢原子的一种特性，这可能与氢原子的体积小和所处的静电场强度大有关。同时，也只能在氢原子和电负性很大的原子间才能形成氢键。

水分子的氢键一般包括分子内氢键（极性共价键）和分子间氢键（附加键），通常以

氢键就是联结相邻水分子内两个氧原子的桥梁，使水分子间较牢固地联结起来。尤其是当水处于液态时，氢键表现出高度的韧性，键长往往不固定，可发生摆动，但却不易断开，以此来阻止水分子向蒸汽飞脱。

（二）水分子的缔合作用

相邻水分子由于有氢键联结，使水能以（H₂O）_n巨型分子形式存在（见图1-4）。水以巨型分子（分子群）存在是液态及固态水的基本存在形态。这种由单分子结合成比较复杂的多分子而不引起水的化学性质变化的现象，称为水分子的缔合作用。水分子缔合一般可用下列平衡式表示：

水文地球化学基础

式中Q表示热量。当温度升高时，平衡向左移动（吸热），缔合程度减少，在沸点时只有少数缔合分子。温度降低时平衡向右移动（放热），水缔合作用增强，在温度4℃时，缔合程度最大，此时水的密度最大，体积最小。

事实上，自然界中的水只有以汽态存在时，才呈单分子水，而以液、固态存在时均呈巨型分子形式存在。具体而言，

图1-4　巨型水分子氢键联结示意图

（三）水分子间的四面体结构

目前对水分子结构与排布的研究，多是以对冰的结构研究为基础的，在冰的晶格中每个水分子均与周围四个水分子相联结，构成较规则的四面体状。在每个四面体中，居中心的水分子间均被四个相邻的水分子所环绕，形成四个氢键并构成冰晶体的中空结构，因而使冰的密度变小。由许许多多这样的四面体相互联结，便形成了一个网层状的庞大冰体。

当温度升高时，冰开始融化，这时四面体结构即部分地遭到破坏，以致水分子的堆积较为密集，使液体水的密度大于冰。就是在熔点时的水中仍残留有多数氢键，因此中空四面体结构的水分子集合体依然存在。随着温度的继续升高，冰晶体的四面体结构进一步松动，以韧性较强的氢键联结的水分子间摆动加剧，造成四面体结构变形以至于消失。