液态水是我们生活中最重要也最为奇特的物质,同时是我们最不了解的物质。水以各种形态和形式广泛存在,如水合物(可燃冰)、结合水(蛋白质、DNA)、自由水、表/界面水(催化、水纯化)等。水在材料科学、能源化工、生态环境、生命科学等领域均扮演着重要角色,然而人们对液态水的微观世界以及大分子与它们的水环境的相互作用却知之甚少。液态水和水溶液的结构成为当今最基础且最具挑战性的热点科学问题之一。氢键作用作为液态水分子缔合的根本原因,也直接影响水溶液的物理化学性质。水几乎是一种万能溶剂,因此自然界里的水通常是以水溶液的形式存在。水溶液环境中溶剂分子和水分子具有不同于溶剂分子和自由水的结构和性质。这种结构和性质上的变化与溶液中微观结构和分子间作用有密切联系。本论文选用二甲基亚砜、乙腈、丙酮、四氢呋喃四种与水具有典型氢键作用的二元溶液体系和二甲基亚砜/乙腈/水,二甲基亚砜/四氢呋喃/水三元体系。研究了不同浓度下各水溶液体系的表面张力和粘度两个宏观物理量的变化特性。同时利用拉曼光谱的原位无损测试技术作为主要实验手段,从拉曼光谱谱图中获得分子间氢键作用的信息,研究二元和三元水溶液体系中氢键对分子结构与性质的影响。从分子层面上揭示了氢键对水溶液体系的作用规律,建立了水溶液中氢键作用模型。探索水溶液宏观物性与微观氢键作用的联系,解析其水溶液的物理和化学性质,为丰富氢键理论提供有价值的实验依据。同时,结合水溶液微观结构建立氢键作用-水溶液微观结构-宏观性质的关联模型,为丰富水科学研究提供有价值的实验依据。研究表明,四种二元氢键体系水溶液表面张力随浓度的变化受到溶液中分子间氢键作用的影响。氢键作用下混合溶液中微观结构发生变化,水分子与溶剂分子在氢键作用下组合成团簇结构。溶液结构的变化会影响溶液表面张力特性,水分子与溶剂分子间的氢键作用越强对水表面张力削弱越明显。对水分子OH键拉曼峰的分峰拟合结果表明,随着溶液中氢键作用的改变,水分子间团簇结构发生转变。借助线宽经验公式对含氢键作用的特征峰峰宽进行分析发现实验所得拉曼线宽与公式计算结果吻合度较高,溶液中氢键作用对线宽有一定影响。线宽是粘度和浓度的函数,在已知浓度的情况下可通过实验所得线宽预估溶液粘度。混合溶液中分子间氢键作用会造成溶液粘度上升。对比二元体系研究了二甲基亚砜-乙腈-水三元体系氢键作用,在三元水溶液中乙腈C≡N键的电子云向碳原子发生偏移,二甲基亚砜中S=O双键的电子云向硫原子发生偏移。在三元体系中乙腈和二甲基亚砜与水形成氢键时存在明显的竞争关系,出现乙腈分子和二甲基亚砜分子共用一个水分子形成复合物的情况,并且随着水含量的增加,共用水分子的情况逐渐消失。在二甲基亚砜-四氢呋喃-水体系中,二甲基亚砜可分别与四氢呋喃和水形成氢键,且二甲基亚砜与水的氢键作用强于四氢呋喃,随着水含量增大二甲基亚砜与水的氢键作用增强。