一、水分子的結(jié)構(gòu)特征

眾所周知，水是由氫氧兩種元素組成，兩個(gè)氫原子一個(gè)氧原子形成V字型結(jié)構(gòu)。常溫常壓下，氣態(tài)自由水分子氫氧鍵的鍵長為0.9527×10^-10米，兩個(gè)氫氧鍵之間的夾角為104.52°。

水的鍵長和鍵角并不是一個(gè)固定的值，會(huì)隨著成鍵狀況、溫度、壓強(qiáng)等因素在較大的范圍內(nèi)變化。由于其V型的分子結(jié)構(gòu)，使得水分子顯得非常靈活。

二、水分子V型結(jié)構(gòu)的成因

水分子的這種V型結(jié)構(gòu)是由于sp電子雜化造成的。一個(gè)氧原子最外層有2個(gè)2s電子和4個(gè)2p電子，而一個(gè)氫原子只有1個(gè)1s電子，為了組成8個(gè)電子的滿殼層結(jié)構(gòu)，一個(gè)氧原子需要與兩個(gè)氫原子通過核外電子sp雜化軌道結(jié)合，形成2個(gè)氫氧鍵。

余下的兩對(duì)未成鍵的電子稱為孤電子對(duì)，它們?cè)谒肿优c外界發(fā)生相互作用時(shí)起到?jīng)Q定性的作用。所以一個(gè)水分子周圍的電子分布是一個(gè)近似四面體結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于sp3電子雜化。

說水分子是近似四面體的原因是由于氫氧鍵與孤對(duì)電子的局域化中心長度不一樣，分別為0.52×10^-10m和0.3×10^-10m。另外氫氧鍵之間的夾角104.52°與孤對(duì)電子軌道夾角114°都偏離了理想四面體中的夾角109.5°。

三、水分子的極性

在好人在介紹水分子的極性的時(shí)候，都是簡(jiǎn)單介紹了由于氫氧鍵產(chǎn)生的極性，其實(shí)這樣的介紹是很粗糙的。水分子的極性不僅是由于氫原子失去電子帶正電，同時(shí)也由于孤對(duì)電子區(qū)域聚集了多余的負(fù)電荷。水分子的整體電極矩是從氧端沿著兩個(gè)氫氧鍵之間夾角的平分線穿到氫端。

單個(gè)水分子的電極矩為1.855D，而一氧化氮的電極矩只有0.1D。水分子這種很大的極性使得水非常容易參與和其它極性分子或者離子的相互作用，這意味著，很多化學(xué)反應(yīng)可以在水溶液中發(fā)生。

四、水分子的運(yùn)動(dòng)

由于水分子這種3個(gè)原子組成的V型結(jié)構(gòu)，所以水分子有9個(gè)自由度：3個(gè)平動(dòng)自由度，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，還有3個(gè)振動(dòng)自由度。前兩者與外界環(huán)境有關(guān)，后者是水分子內(nèi)部自由度，但如果受到環(huán)境的影響則會(huì)發(fā)生頻移。

這3個(gè)振動(dòng)自由度為：氫氧鍵對(duì)稱拉伸、氫氧鍵不對(duì)稱拉伸和氫氧氫的剪切或彎曲運(yùn)動(dòng)。其振動(dòng)頻率分別為3657/cm、3756/cm、1595/cm，其中cm^-1是用波數(shù)做單位。

在能量空間中，水分子的電子軌道有5個(gè)能級(jí)：1a1、2a1、1b2、3a1、1b1，其中1b2為成鍵能級(jí)，1b1為孤對(duì)電子，2a1、3a1為成鍵和未成鍵軌道的混合。

如果在強(qiáng)成鍵軌道1b2上失去一個(gè)電子，則會(huì)導(dǎo)致水分子分解為氫離子和氫氧根離子；3a1軌道是保持水分子V型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，如果這個(gè)軌道上失去一個(gè)電子，則水分子會(huì)變成類似二氧化碳那樣的棒狀結(jié)構(gòu)。

五、水分子之間的氫鍵作用

氫鍵并不是水分子獨(dú)有的，而是指氫與負(fù)電性很強(qiáng)的原子，比如氫與氧、硫、氮以共價(jià)鍵結(jié)合的時(shí)候，原子之間相互吸引產(chǎn)生的作用。雖然氫鍵的主要來源是由于庫侖力，但同時(shí)也有一小部分是來自誘導(dǎo)極化作用和分子間的色散力。

我們通常意義上說的水分子之間的相互作用就是指氫鍵的作用。它是由水分子中的氫與相鄰的水分子中氧的孤對(duì)電子相互吸引形成的。兩個(gè)水分子結(jié)合成二聚體的時(shí)候，OH—O鍵長約為2.976×10^-10m，鍵角接近180°。

由于一個(gè)水分子只有兩個(gè)孤對(duì)電子，所以它最多可以同時(shí)接受兩個(gè)氫形成氫鍵，加上其自身擁有的兩個(gè)氫形成氫鍵，所以一個(gè)水分子最多可以形成4個(gè)氫鍵，組成空間四面體結(jié)構(gòu)。

不論水以液態(tài)還是固態(tài)（冰）存在，這種四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都是其基本特征。

六、來自氫鍵的神奇特性

氫鍵的強(qiáng)度很高，大約為23千焦每摩爾。這導(dǎo)致水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)極高，熱容量極大。如果沒有氫鍵，則相對(duì)分子量為18的水在零下75攝氏度就會(huì)汽化。

同樣，水結(jié)冰膨脹也是由于氫鍵造成的。這是因?yàn)槲覀兦懊嬲f過的，一個(gè)水分子最多能組成4個(gè)氫鍵，其具有方向性和飽和性，這使得水在結(jié)冰過程中，為了保持最強(qiáng)的氫鍵作用（能量最低狀態(tài)），水分子必須形成四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，每個(gè)水分子都會(huì)占據(jù)一定的體積。

當(dāng)溫度升高，冰開始融化時(shí)，水分子這種位置約束減少，反而使得液態(tài)水可以擁有更小的體積。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，當(dāng)我們用壓力壓在冰面上時(shí)，冰可以開始液化。