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水的结构化学 北京大学化学学院 周公度 水的结构化学 水是地球上数量最多的分子型化合物 1.4?1021kg 可淹没地球平均水深2713m 人体一半以上是水 化学中最常用的试剂和溶剂 一、气相水的结构 四面体形 电荷分布体系 二、冰的结构－Ih 冰的各种晶型 冰Ⅶ的结构 从冰的结构可得： （a）水能堆积出11种冰晶体，跨越6个晶系、10种空间群、密度从0.92~1.49g·cm-3 （b）四面体取向的O-H···O氢键，是使水结晶成冰的共同特征和主要作用力。 （c）高压下密度的增加，不是靠压缩氢键键长，而是压短非键距离。 （d）高压下，冰-Ⅵ、冰-Ⅶ 、冰-Ⅷ形成两套氢键体系相互穿插。 （e）O-H···O氢键中，H的分布多数（7数）是无序，少数（4种）有序。 H无序分布最早靠热力学残余熵的计算 三、气体水合物结构 8CH4·46H2O的结构 四、液态水的结构模型1. 冰和液态水的径向分布[g(r)~r]图 2. 冰化为水，O原子间距离的变化 水的结构不是冰的“碎片”，而是含有大量通过氢键形成动态平衡的不完整多面体（如五角十二面体）体系。 3. 水的性质和结构 a. 热学性质 3. 水的性质和结构 b. 密度：4℃最大 冰，0 ℃ 0.9168 g·cm-3 水，0 ℃ 0.99984 g·cm-3 4 ℃ 1.0000 g·cm-3 20 ℃ 0.99821 g·cm-3 3. 水的性质和结构 c. 电导 H＋接力位移 五、质子化水 质子化水是指H+和H2O或H3O+和水以H-O共价键相联系形成的物种。 以O-H···O短于245pm作判据，质子化水只存在：H3O+ 和 H5O2+ 按H和O原子间的键价公式： 键价 R0=87pm, N=2.2 计算O原子周围氢键O-H···O的键价时，当O-H···O键长为246pm时， H···O 间键价只有0.35，很弱了。 六、结晶水 除冰以外，在晶体中和其他组份一起存在的水。 1. 骨架水：水作为构建晶体骨架的主要组份。如气体水合物。 2. 配位水：水作为配位体和金属离子配位， 如明矾 [K(H2O)6]+[Al(H2O)6]3+[SO42-]2 VSO4·6H2O [V(H2O)6]2+[SO4]2- 3. 结构水：水作为填补晶体结构空间，并通过氢键将各组份结合在一起。 如 CuSO4·5H2O [Cu(H2O)4]2+[SO42-]·H2O 4. 层间水：粘土等层型结构间的水。 5. 沸石水：沸石型骨架中孔穴内部吸附的水。 6. 蛋白质晶体中连续分布的水： 如三方二锌猪胰岛素 Zn2(C255H380O78N65S6)6·835H2O 1, 2, 3 组成确定；4, 5, 6 组成可变 硼砂Na2[B4O5(OH)4]·8H2O 结晶水为8个，加热时4个OH可变成H2O脱去， 但化学式不应写成 Na2B4O7·10H2O 七、水分子的振动和转动特性的应用 1. 水分子的振动 a. 烘干谷物 粮食烘干机（示意） 水的红外光谱图 b. 用于理疗 2. 水分子的转动 水分子的转动频率（2.2~2.5）?109Hz，属微波区。 （a）微波炉 发射2.45 ?109Hz微波，使含水食物加热煮熟。 用微波炉灼烧BaSO4沉淀，可缩短试样分析的时间。 （b）探测星际空间的水分子。 八、从物理学观点看水对生物和地球气候作用 1. 水的生物功能－－生命之源 2. 水对地球气候的作用 地球排熵靠水的循环 九、学习水文化弘扬传统美德，提高精神境界 “问渠那得清如许，为有源头活水来”（朱熹） （不断学习，更新思维） “滴水之恩涌泉报，饮水思源不忘恩” （谢老师教诲，促民族腾飞） “青出于蓝而胜于蓝，冰水为之而寒于水”（荀子） （认真学习，超越老师） “智者乐水”（孔子） “智者达于事理而周流无滞，有似于水，故乐水”（朱熹） （通达事理，周流无滞） “一水护田将绿绕，两山排垯送青来”（王安石） （绿水青山） “君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回”（李白） （一往无前） “日出江花红似火，春来江水绿如蓝”（白居易） （爱水护绿） 水乳交融（亲密） 近水楼台（机遇） 水泄不通（严密） 萍水相逢（偶遇） 水深火热（苦难） 车水马龙（繁华） 水中捞月（枉想） 山高水长（时空） 水涨船高（同步） 山明水秀（景色） 水到渠成（功底） 山穷水尽（绝境） 流水不