水的氢键示意图,水的三种状态都有氢键吗

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-03-28 09:17:40

六、来自氢键的神奇特性

氢键的强度很高,大约为23千焦每摩尔。这导致水的熔点、沸点极高,热容量极大。如果没有氢键,则相对分子量为18的水在零下75摄氏度就会汽化。

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同样,水结冰膨胀也是由于氢键造成的。这是因为我们前面说过的,一个水分子最多能组成4个氢键,其具有方向性和饱和性,这使得水在结冰过程中,为了保持最强的氢键作用(能量最低状态),水分子必须形成四面体网格结构,每个水分子都会占据一定的体积。

当温度升高,冰开始融化时,水分子这种位置约束减少,反而使得液态水可以拥有更小的体积。正是因为这个原因,当我们用压力压在冰面上时,冰可以开始液化。

七、不合正规定义的化学键---氢键

氢键涉及已与氧、氮或氟等原子形成共价键的氢原子。由于这些元素的原子倾向于独占那对共享电子,使氢带有轻微的正电荷,因此氢又可以吸引其他负极性的分子(这类分子虽然总电荷为零,但由于电荷分布不均匀,导致略微带负电)。分子通过氢的媒介结合在一起,所以叫“氢键”。但氢键通常比共价键、离子键要弱得多,而且也不是靠共享或转移电子而形成的,所以又不是严格意义上的化学键。

氢键的存在很普遍。水(H2O)在常温是液体而非气体,靠的是水分子之间的氢键;氨基酸的一条条分子链通过氢键形成复杂形状的蛋白;DNA双螺旋结构上的一对对碱基,通过氢键形成碱基对……

然而,人们仍然不完全清楚氢键是什么。作为氢键的一个简单模型,双氟化物离子(HF2-)通常被认为是一个共价键的氟化氢(HF)分子,通过氢键结合一个氟离子形成的,假如用-代表共价键,…代表氢键,其结构式即为F-H…F。但科学家后来发现,当双氟化物离子在水中振动时,其结构在F-H…F和F…H…F之间不断变化。换句话说,其中一个键总是在共价键和氢键之间切换。在这里,氢键和共价键的区别开始模糊了。

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键通常不是刚性的,而是可以弯曲、拉伸和振动的。这表明,要确定一个键的存在,我们需要评估的不仅仅是原子是否粘在一起,还要看粘连了多长时间。一个典型例子是超临界水:水被加热到超过其临界点(在218个大气压,水的沸点是374℃),在那里不再有液态和气态之分。人们一直在争论这种时候是否还有氢键存在。最近有位德国化学家对此做了模拟。结果显示,超临界水中的氢键断裂得非常快。在这种情况下,是否还有资格成为氢键,只能各说各话了。

更好地了解超临界水中的氢键对化学工业有很大的帮助。超临界水可以溶解普通水不能溶解的东西,它是有毒的有机溶剂(如苯或甲苯)的环保替代品。

八、21个水分子组成一滴水

一滴水被不断拆分,终点将是一个水分子。那么,一个水分子能算是一滴水么?如果不算,那最少要多少个水分子才可称为一滴水?

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水所具有的溶解能力、比热容、粘度等,都不是单个水分子带来的特性,而是众多水分子聚集而成的“一滴水”才具有的。那么,最少需要多少个水分子才能被视为一滴水呢?在一滴水中随机挑选一个水分子,在其周围不断增加水分子,并利用光谱学来观察其振动变化。当它的分子光谱与宏观上水滴光谱一致时,就可以被定义为最小的一滴水。

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