氢键对水的密度的影响(水的氢键数目)

导语：话说氢键（一）-水的密度

水在什么温度下密度最大？ 这是一个常识性质的问题，我们都知道，4℃时的液态水密度是最大的。然而，如果我们问自己，为什么水在4℃时密度最大呢？可能很多人就不知道答案了。关于这个第二问，作者也是通过最近的学习才找到了答案，下面简单与大家分享一下。 我们知道，由一个氧原子和两个氢原子构成的水分子是一种极性分子，我们这里所说的极性，是指在电荷分布结构上水分子所呈现的性质（具体原因我们后面再详细介绍），像图1那样，每一个水分子都有一个带正电荷的极和一个带负电荷的极。

图1 极性分子

水分子的极性使得每个水分子周围形成一个电场，根据电荷异性相吸的原理，水分子之间由于静电引力而相互靠近。 除了H-O 化学键外，水分子之间还有一种特有的键力，称为氢键。氢键是含氢化合物的分子之间普遍具有的一种键合力，在化合物水中，它是指氢原子的部分正电荷不但对水分子内的氧原子上的部分负电荷有静电引力，而且还对其他水分子上的部分负电荷也有静电引力。 现在回到我们最开始的密度问题。由于氢键是有方向性的，所以水在结冰时，水分子就沿着O-H键和H-O•••H氢键的方向，每个氧原子与四个氢原子相连，形成两个化学键和两个氢键，组成了像图2那样空间上无限延长的立体结构。这种结构的孔隙很大，所以作为固态水的冰的密度不会达到最大。

图2 冰的结构

在液态水中，由于极性和氢键的作用，水分子也不是独立以个体存在的，而是许多分子相互缔合在一起形成了不同组合形式的分子集团而存在的（图3）。

图3 水的微团缔合结构

从图3中坐标轴从左往右看，冰在0℃融化，一直到4℃之前，在水中还保持着类似于冰的有较大孔隙的缔合结构，缔合的程度随温度升高而降低，孔隙会逐渐变少，水的密度逐渐增大；到4℃时，水中保持着图3-(b)这种最密集缔合结构的微团比例最高，所以在这个温度下，水的密度达到最大；当温度再升高，缔合的水分子之间开始趋向离解，像(c)和(d)那样，分子距离逐渐变大，密度也就越来越小了。这就是水为什么在4℃时密度最大的一个微观解释。 （声明：本文知识点源归纳自南开大学已故申泮文院士的相关著作。）

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