水的结构模式及液态固态水若干特征成因探讨

摘要

水是包括海洋大气在内的地球生态系统中极重要又有很多特殊性的物质.其特性的成因尚远非清晰.本文提出一种水分子(H2O)结构及其固态液态水体的结构模式,探讨和模拟计算了其若干特征的成因,结果能较好符合实测值.(1)从氢(H)氧(O)原子结构和电子绕各原子核及相互绕行规律的等概率随机轨道中实现符合库伦力和开普勒运动规律的优势轨道耦合成平均状态稳定的准刚性的水分子结构.其核心是O原子与等距离分立其两侧的2个H原子构成的等腰三角形,其间距平方之比(H-H)2/(H-O)2=2.5;电子在3个原子核之间按准圆、双曲、椭圆轨道螺旋式无限循环过程中形成的电子云活动空间为1个由四个等边三角形为面构成具有6个等长稜的正四面锥体结构水分子模式(可简称“水分子正锥体模式”).有很大电偶极矩.(2)水分子的端点间在约0.27nm距离内可以按“+”“-”电荷吸引原则耦合.6个水分子将按正、负电荷对接耦合,连接成六边环形“壁”的“笼式隧道空间”,可容纳其它物质,无电荷显示,电导率极地.(3)在空气中0℃以下凝结冰晶时三维不对称,“薄片”的雪花形成概率更大,其形态也按自相似原则体现了水分子结构的六角六边六针形的特征.(4)液态水分子维持固态水冰的“冰/水笼”结构模式,但由于2个氢原子上的电子同时到达1个“-”电荷端的概率为1/11,当0℃以上部份水分子能摆脱框架水分子束缚后,可以再耦合一个从框架上“脱落”的“自由水分子”使其进入水笼,从而水容积缩小;这个过程到4℃时全部完成(水的密度达最大,固体冰和液态水的密度之比为11/12=0.916667).自由水分子和水笼框架上的水分子可以随时互换(在飞秒时间尺度上),并适应固体壁的形态,既是不可压缩,又有柔软、可变形特点;水分子体积不随温度变化,但水分子之间耦合间距与温度及其它化学物质的溶入而可发生变化.水中的空穴与水分子体积之比达2.28,比在地函高温高压的水汽中检测到2.16g/cm3略大.水的框架网络结构使热传导系数很大,比热容量很大,且有“异常”的U形特点;自由水分子与框架水分子互换有能量消耗,成为水的比热容量略大于固态水冰的热容量的1/2的印证.(5)讨论了水对O2,H2S,NaCl,KCl等的溶解度随温度变化的若干特征的成因和计算模式.通过NaCl饱和溶液实验,直观地说明了水体中有空穴,盐进入水体后把原有气体赶出,使盐固体+水体积缩小,成为透明饱和溶液,但结冰后体积膨胀增加水体的1/11的理论值,成为被水分子包围的白色结晶.解冻后恢复为透明饱和液.(6)与液态水体表面特征有关的特点及本文实际应用将在随后续文中讨论.