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L-精氨酸为白色至类白色结晶或结晶性粉末，无臭，味微苦，在常温干燥环境下晶型稳定，不易结块、变色，是典型的氨基酸结晶形态，其晶型多为斜方晶系，分子间通过氨基、羧基及胍基形成的氢键、范德华力构建致密的分子堆积结构，赋予其良好的物理稳定性。

作为碱性氨基酸，L-精氨酸的溶解性具有明显的极性特征，易溶于水，在 25℃的纯水中溶解度约为 155g/100mL，远高于非极性氨基酸，也高于多数中性氨基酸，这是因为分子中含有的氨基、胍基均为强极性基团，能与水分子形成强烈的氢键与水合作用，快速分散并溶解于水中；微溶于甲醇、乙醇等低级醇类，25℃时在无水乙醇中的溶解度仅为 0.2g/100mL 左右，随醇类碳链增长溶解度进一步降低；几乎不溶于丙酮、乙醚、氯仿、苯等非极性有机溶剂，无法与这类溶剂形成有效分子间作用，搅拌、加热也难以提升溶解量，仅以微小结晶悬浮，静置后快速沉降，这一溶解特性符合 “相似相溶” 原则，也便于其在水溶液体系中的分离提纯与应用。

L-精氨酸的熔点较高，为 223~227℃（分解），受热至熔点温度时不会出现熔融现象，而是直接发生热分解，无明确沸点；相对密度约为 1.46g/cm3，与多数氨基酸的密度相近，晶型的致密性使其具备良好的固体形态保持性。其水溶液具有旋光性，作为天然左旋手性氨基酸，比旋光度为 + 12.5°~+13.5°（25℃，c=8，6mol/L 盐酸），旋光值稳定，可作为其纯度检测的重要指标，且手性中心在常规条件下无消旋现象，能稳定保持左旋体结构。

L-精氨酸的核心物理特征为强碱性，1% 的水溶液 pH 值约为 10.5~11.5，是所有天然氨基酸中碱性的一种，这一特性源于分子中胍基的强质子结合能力，胍基质子化后形成的胍鎓离子结构高度稳定，使分子在水溶液中能大量解离出 OH?，呈现强碱性，这也是其区别于丙氨酸、甘氨酸等中性氨基酸，赖氨酸、组氨酸等其他碱性氨基酸的关键物理性质。此外，L-精氨酸具有轻微的吸湿性，在相对湿度 70% 以上的环境中会缓慢吸附空气中的水分，因此储存时需做好密封干燥处理，吸潮后经低温干燥可恢复原有晶型与理化性质，无不可逆变化。