第三章 海水的物理特性和世界大洋的层化结构

§3.1海水的主要热学和力学性质

海水是一种溶解有多种无机盐、有机物质和气体以及含有许多悬浮物质的混合液体。迄今已测定海水中含有80余种元素。就大多数海水而言，溶解无机盐的总含量约占3.5％左右，这就使海水的一些物理性质同纯水相比有许多差异。然而海水中的纯水毕竟占绝大部分，因此有必要首先介绍纯水的某些特性，然后再讨论海水的情况。

3.1.1纯水的特性

一、水分子的结构特殊

水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的。假如两个氢原子和氧原子如图3-1那样简单地结合在一起，那么，正、负电荷的极性可恰好抵消。水分子的结构却如图3-2那样呈不对称结构，正、负极性不能相互抵消，所以水分子是极性分子。各水分子之间因极性又互相结合，形成比较复杂的水分子，但水的化学性质并未改变，这种现象称为水分子的缔合。缔合分子与温度有关，温度升高时促使缔合分子离解，温度降低时有利于分子缔合，从而导致水与其它液体或其它氧族元素的氢化物相比，在性质上产生异常。

二、水的溶解力很强

水是一种很好的溶剂，溶解能力很强。其原因是水分子有很强的极性，容易吸引溶质表面的分子或离子，使其脱离溶质的表面进入水中，海水正是水溶解了许多物质的一种复杂溶液，所以其性质与纯水有差异。

三、水的密度变化有反常

“热胀冷缩”是一般物质的性质。纯水在大气压力下，温度4℃时密度最大，等于1000kg·m-3；在4℃以上时，密度随温度的降低而增大，但在4℃以下时却随温度的降低而减小，即所谓“反常膨胀”。水结冰时体积增大，密度减小，可达916.7kg·m-3，所以冰总是浮在水面上。

水的密度随温度的这种不正常变化，是由水分子的缔合造成的。因为温度低于4℃时，有利于水分子的缔合；冻结为冰时，这些水分子则全部缔合成一个巨大的分子缔合体，称为分子晶体。由于其晶格结构排列松散，故密度减小。当水温从0℃升至4℃以前，主要过程是较大的缔合分子逐渐地离解成为较小的缔合分子，所以体积收缩，密度增大；高于4℃以后，由于水分子的热运动加强，导致体积膨胀，所以密度又随温度的增高而减小。因此纯水在4℃时具有最大的密度。

四、水的热性质特殊

与其它液体相比，水的热性质有许多异常。同是氧族的氢化物，但水(H2O)与H2S、H2Se和H2Te相比，水的熔点、沸点、比热、蒸发潜热和表面张力值等都比氧的同族化合物高。例如，在同族化合物中，一般是随着相对分子质量的增大，其熔点和沸点温度相应升高。水的相对分子质量最小，其理论上的熔点和沸点应分别为-90℃和-80℃左右(图3-3)，而实际上却分别为0℃和100℃。其原因就在于在熔化和汽化时，缔合分子的离解需要消耗较多的能量。

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