水蒸汽没有什么结构可言。其大多数分子呈单体状态,有时出现二聚体,在罕见的情况下,出现三聚体。水蒸汽低压放电时会出现H9H+4这样的带电簇团。
固态水、冰是很有规则排列的。其结构已经明确。1大气压下,冰的最普遍的形态冰Ⅰh的结构属于六方晶系,如图所示。在冰的结构中,每个氧原子按四面体的方位,与另四个氧原子连接,氧原子间距离为2.76A,氢原子位于氧与氧之间的连线上,但比较靠近其中一个氧原子。在水分子之间形成了氢键(见图)。
冰Ih的结构
液态水的结构与冰的结构有联系。冰的融解热小(1.44千卡/摩尔分子),说明融解时冰中的氢键只有15%受到破坏。其他实验也指出,液态水中四面体排列仍很明显,即液态水的结构与冰Ih很相似。两者的区别在于,液态水中除了有类冰结构的水以外,还有“融解”了的水,类冰结构的水处于束缚态,而“融解”下来的水则是比较“自由”的。“自由”水也叫非类冰结构的水,带引号的意思是它不像气态水分子那样自由。在液态水中,它还要受周围邻近水分子的影响,只是比类冰结构的水自由得多了。
按上述或与之类似的观点,提出的一些模型统称为混合模型,其中比较著名的是弗兰克-温闪动簇团模型(见闪动簇团模型)。除混合物模型以外,还有一大类模型称为连续体模型,虽然它也是以液态水如何偏离固体的结构为其出发点,但此类模型认为,液体水中不存在任何结构上的不均匀性,即没有假定上述两种形态的水存在。属于此类的有变形氢键模型(见变形氢键模型)和不规则网格模型(见不规则网格模型)。
上述各种模型中没有一种是完全令人满意的,也没有一种完全脱离事实。