最小冰聚体结构单元模型及其对水性质影响的量化分析

水的一些奇特性质主要源于水分子之间存在的氢键,但在分子尺度上的氢键结构和数据仍是目前研究和争论的焦点.统计分析了目前文献中普遍采用的水分子和氢键结构数据,并在此基础上应用AutoCAD图形软件模拟出(H2O)10结构的最小冰聚体结构单元(Minimum Ice Structural Unit,MISU)模型,以及由MISU聚合而成的冰晶体三维模型.根据MISU模型,可以计算得到冰在0℃融化为水、水由0℃加热至100℃、水在100℃汽化为水蒸气的三相转化过程中分别需要吸收5.86,4.40和24.94kJ·mol-1的能量以断裂16.7%,12.5%和70.8%的氢键.如若不考虑氢键的影响,那么计算得到水的融化热和汽化热分别为0.15和15.73kJ·mol-1,与VIA族氢化物H2S,H2Se,H2Te的融化热和汽化热基本呈线性关系.另外,由MISU模型计算得到冰在0℃融化为水时,密度由923.17kg·m-3增至999.89kg·m-3,亦与实际测量数据基本一致.