水的結構及特性
（壹）水的結構
在水分子中，氫、氧原子核呈等腰三角形排列，氧核位於兩腰相交的角頂上，而兩個氫核則位於等腰三角形的兩個底角上，兩腰夾角為104°45?〔圖2.1（a）〕。整個水分子核則浸於其核外10個電子所組成的電子雲中〔圖2.1（b）〕。
水分子中氫、氧原子的這種排列，使水分子在結構上正負電荷靜電引力中心不重合，從而形成水分子的偶極性質，即位於氧原子壹端為負極，而位於氫原子壹端為正極。
壹個偶極分子極性程度的大小，可根據其偶極矩的大小來判斷。水分子的偶極矩μ＝1.86×1O-18靜電單位×厘米，其偶極矩比許多其它物質都大，具有較強的極性。因此，當水分子相互靠攏時，相鄰水分子間由於具有偶極性而發生相互靜電吸引。這種吸引是由於水分子中氧原子的電負性較強，能對相鄰水分子中的氫原子產生靜電吸引，從而使相鄰的水分子聯結起來。兩個分子之間由氫原子形成的壹個鍵稱為氫鍵，水分子之間就是靠氫鍵相聯結的。
相鄰水分子間由於有氫鍵聯結，使水能以（H2O）n巨型分子存在，但它不會引起水的化學性質的改變，這種現象稱為水分子的締合作用。這種締合可用下列平衡式表達：
水文地球化學基礎
事實上，自然界中的水只有以汽態存在時才呈單分子水，而以液、固態存在時均呈巨型分子形式存在。具體而言，（H2O）n中的n，壹般變化於12-860之間，主要取決於溫度變化，僅在250—300℃時，n值接近1，即水具有H2O形式。
水的締合程度隨溫度降低而增強。當溫度為4℃時，締合程度最大，水的密度也最大。
此外，除上述正常狀態的水結構形式外，尚存在雙變態結構的水，即兩個氫原子被另壹個面的對角所捕獲。在水中，正態水結構狀態的含量在0—75%之間轉換，而雙變態結構的水分子含量在25—100%之間轉換。
（二）水的特異性質
由於水的結構很特殊，這就導致它具有壹系列的獨特性質。水與壹般液體相比，在物理化學性質方面有壹些不符合壹般規律的現象。水所具有的特異性質可概括如下：
1.水具有獨特的熱理性質
（1）水的生成熱很高。生成熱是指穩定單質生成1mol化合物時的反應熱。水的生成熱為－285.8kJ/mol，故水的熱穩定性很高，在2000℃的高溫下，其離解不及百分之壹，約為0.588%，所以，水能在地球初期的熾熱溫度下存留下來。
（2）水具有很高的沸點和達到沸點以前極長的液態階段，這是水分子偶極間引力大大超過壹般液體之故。
水是氧的氫化物，將它與氧的同周期和同族的相應各元素的氫化物相比，我們就可以看到水的這壹特性（表2.1）。從表中可以看出，這些元素的氫化物的熱理性質隨分子量減少而有規律地降低。按此規律，水的熔點和沸點應分別為－106℃和－81℃，這和實際上的熔點和沸點相差甚遠。
表2.1 Ⅵ主族元素氫化物的某些熱理性質
水具有如此反常高的熔點和沸點以及很高的分子熔化熱和汽化熱，致使水分子由冰到水到汽的相態轉化需要很多熱能，以破壞眾多氫鍵。也正因為這壹反常特性，使地球上得以有液態水的存在，才能有生命物質的繁衍。
由於水的熱傳導、熱容、熔化熱、汽化熱以及熱膨脹幾乎比所有其它液體都高，因此水能起到調節自然界溫度的作用，防止溫差變化過大，使地球上的氣候適於人類居住與動植物生長。相反，在無水的月球，晝夜溫差高達200℃。
2.水具有較大的表面張力
水與其它液體相比，具有較大的表面張力（汞除外）。它隨溫度升高而減少（見表2.2）。
水的表面張力對研究包氣帶水的地球化學現象具有重要意義。
3.水具有較小的粘滯度和較大的流動性
表2.2 水的表面張力
粘滯度是壹種表征液體內部質點間阻力（內摩阻）程度的性質。壹般來說，液體的運動可視為液體的變形，而粘滯性就是壹種阻抗液體質點間形變的能力。水分子的極性和氫鍵聯結決定了水的粘滯度小，流動性大。據已有資料表明，在lV/cm的電場下，水分子的H+（質子）的活動性為32.510-4cm/s,OH-的活動性為17.810-4cm/s，而其它離子的活動性只有6×10-4cm/s。同時，水分子在熱運動過程中，經常不斷地進行新的排布和聯結。
4.水具有高的介電效應
在水中鹽類離子晶體發生離解時，壹些水分子圍繞著每個離子形成壹層抵消外部靜電引力（或斥力）的外膜，它會部分地中和離子的電荷，並阻止正、負離子間的再行鍵合。這種水分子的封閉外殼起絕緣效應（或屏蔽效應），稱為介電效應。
水的介電常數ε，在常溫下為81,0℃時為88,100℃時為56。常溫下ε＝81，表示正負離子在水中相互吸引力比在真空中減小81倍。
5.水具有使鹽類離子產生水化作用的能力
水中離子與水分子偶極間的相互吸引作用，使水中正、負離子周圍為水分子所包圍，這種過程稱鹽類離子的水化作用（或稱離子的溶劑化作用）。這種作用是多數鹽類能溶於水的原因。
6.水具有良好的溶解性能
水對固體的溶解性能主要是由於水是極性分子，介電效應高，能使鹽類離子產生水化作用等特性所致。
在高溫高壓下，水是壹種活性水，其水分子結構處於亞穩狀態。這時水的導電性、溶解能力、pH值等物理的和化學的性質變異，使水具有更高的侵蝕性，因而其溶解能力增大。前蘇聯學者用熱壓器中的活性水對CaCO3進行溶解試驗，發現活化後的水對CaCO3的溶解度比活化前大1.15—2.6倍。
此外，在高溫高壓下，SiO2可大量溶於水中（表2.3）。
表2.3 高溫高壓條件下SiO2溶解試驗
試驗還證明，在300—340℃、（390—400）×105Pa條件下，活性水可以從淡色花崗巖、微斜長石及黑雲母中溶出SiO2、A12O3、K2O、Na2O等成分。
（三）水的離解產物
水可以按下式進行離解：
水文地球化學基礎
由於質子（H+）不能單獨存在，在水溶液中H+與H2O締合成H3O>+（水合離子）的形式存在。在標準狀態下，水的平衡常數
水文地球化學基礎
因［H+］數值很小，應用不方便，所以壹般用〔H+〕離子濃度的負對數作為水溶液的酸堿性指標。
（四）水的同位素組成
氕（H）、氘（D）、氚（T）是氫元素的三種同位素。氚是氫的放射性同位素，衰變時發射β－射線，生成氦： 它在水中以氚水（HTO）形式存在。16O、17O、18O是氧元素的三種同位素。它們在水中的豐度見表2.4。
表2.4氫氧同位素在水中的豐度〔8〕
若壹種元素有幾種同位素，則對於壹種化合物來說，就有許多種同位素分子變種，可統稱為同位素分子。若不考慮痕量sH，天然水中氫氧同位素可以有九種不同的同位素分子（表2.5）。
表2.5天然水同位素分子
註：括號內為分子量
天然水中同位素分子以 為主，其它豐度較大的有以下幾種： H217O（0.042%）,HD16O（0.032%），而HTO濃度只有