摘要

水是人類賴以生存的生命之源，正常人們對于水的認(rèn)識是常溫下，無色無味、可以流動的液體。其實，水在不同狀態(tài)下由于結(jié)構(gòu)不同會有很多特殊性質(zhì)，本文從多個角度去了解不一樣的水分子。

關(guān)鍵詞 生命之源 水 特殊性質(zhì) 空間結(jié)構(gòu)

1. 引言

水，又稱為“生命之源”。可以說地球上的所有生命都要依賴于水而生存。地球上70%的面積都被水所覆蓋。雖然這些水中的97%都為海水，只有3%的水為淡水資源可供人類利用，但是這樣的條件足以使地球成為人類生活的搖籃。正是有可以利用的淡水資源這一自然條件，使人類不斷進(jìn)化、繁衍和生存至今。

我們每一個人從一個受精卵開始就離不開水，受精卵需要在水的作用下，粘合到子宮內(nèi)壁上，在胚胎發(fā)育過程中更是需要母親的血水為營養(yǎng)。到我們現(xiàn)在生活的每一天都需要水來維持我們的生命，以及保證我們的正常生活?？墒?，每個人真的了解水嗎？答案是否定的。直到現(xiàn)在，“水”依然是前沿領(lǐng)域科學(xué)家研究的一個重點課題。即使是對于科學(xué)家來說，還有很多關(guān)于水的未解之謎需要去研究和發(fā)現(xiàn)，更何況是每一個人。本文從科學(xué)的角度進(jìn)一步走近水的世界，讓更多的人了解“生命之源”的一些奇妙現(xiàn)象。

2. 水的結(jié)構(gòu)

水的分子式H2O是初中課本中的知識，它是由兩個氫原子分別與中間的一個氧原子以共價鍵的形式形成的角型結(jié)構(gòu)（H-O-H鍵角為104.5o），H-O鍵長約為0.96 ?。如此簡單的結(jié)構(gòu)，在自然環(huán)境中主要是以固、液、氣三種狀態(tài)呈現(xiàn)在大眾眼前。事實上，狀態(tài)的不同，會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的不同。水在以冰的形式存在時，是一個水分子與另外四個水分子以氫鍵的形式形成的變形四面體結(jié)構(gòu)，使得水結(jié)冰時會形成很多空穴，導(dǎo)致其密度減小，體積增大；當(dāng)水以液態(tài)水的形式存在時，水分子以二聚體或三聚體的形式存在；而氣態(tài)水蒸氣中水分子，由于水分子之間的間隔變大，是以單一的水分子形式分散在空氣中（圖1）。

圖1. 水的分子結(jié)構(gòu)

3. 水的特殊性質(zhì)

正是水的這種特殊結(jié)構(gòu)決定水有很多的特殊性質(zhì)，曾有文獻(xiàn)報道，水有70多種反?，F(xiàn)象[1]。其中很多現(xiàn)象都可以通過這種氫鍵結(jié)構(gòu)來解釋。例如，水的熔沸點相比于一般的溶劑較高，正是因為在冰融化以及水汽化的過程中需要能量破壞氫鍵結(jié)構(gòu)。

水的比熱容非常大跟氫鍵結(jié)構(gòu)也有很大關(guān)系。雖然不是唯一因素。一般都知道，水在4℃時有一個突變點，4℃時水的密度最大，體積最小。相關(guān)的反?，F(xiàn)象被稱為“水的反常膨脹”，一般的物質(zhì)會隨著溫度的升高體積變大，但水的體積在4℃ 之前會隨著溫度的升高而減小，4℃ 之后才會隨著溫度的升高而增大。

這種反常現(xiàn)象可以用氫鍵結(jié)構(gòu)完美地解釋。水在0~3.98℃（準(zhǔn)確突變溫度）時，除了以單個水分子存在的形式外，多數(shù)水分子還會以三聚體(H2O)3的形式存在，當(dāng)溫度升高到3.98℃ 以上時，三聚體(H2O)3中的部分氫鍵會被破壞，變成二聚體(H2O)2。此過程中，二聚體水分子不斷變多，密度增大，體積反而減小，而3.98℃ 以上溫度時，主要一直以(H2O)2 的形式存在，所以符合熱脹冷縮原理。

生活中我們常見的“潑水成冰”現(xiàn)象相信都不陌生，在東北寒冷的冬天，將一杯熱水潑灑到空氣中可以瞬間結(jié)冰，形成壯觀的景象（圖2）。這個實驗往往用沸水更容易成功，因此有人認(rèn)為熱水比冷水結(jié)冰快，這是“姆潘巴效應(yīng)”的一種表現(xiàn)形式。

這真的是“姆潘巴效應(yīng)”嗎？所謂“姆潘巴效應(yīng)”是指在相同質(zhì)量和相同冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結(jié)冰。這是1963年一位名叫伊拉斯托·姆潘巴的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了熱的冰淇淋混合比冷的冰淇淋混合凍結(jié)得更快。后來人們將這種現(xiàn)象被稱為“姆潘巴效應(yīng)”[2]。

其實，嚴(yán)格說“潑水成冰”并不屬于“姆潘巴效應(yīng)”，因為“姆潘巴效應(yīng)”是說溫度略高的液體與溫度略低的液體相比較，“潑水成冰”是用沸水和正常20℃左右的水進(jìn)行比較。圖2中的現(xiàn)象大部分都是熱水形成的水蒸氣凝華成小冰晶，該過程是水凝固和水蒸氣凝華的共同過程。根本原理是過冷水的原理，即純凈的水在0℃以下還沒有結(jié)冰，但是此時體系很不穩(wěn)定，一旦有晶種加入瞬間結(jié)冰。就像我們平時生活中任何事情都要都一個人作為領(lǐng)隊人去進(jìn)行，物質(zhì)結(jié)晶過程就需要這樣一個領(lǐng)頭晶核的形成。而對于“姆潘巴效應(yīng)”的原理現(xiàn)在科學(xué)界并不統(tǒng)一，各抒己見，雖然很多科學(xué)家認(rèn)為氫鍵貢獻(xiàn)很大，但是也不能說服所有人。

圖2. 潑水成冰現(xiàn)象圖（摘自百度圖片）

4. 水的發(fā)光行為

生活當(dāng)中水是一種無色無味的液體。但是1930年，Ewles教授就曾經(jīng)提出界面水發(fā)光的可能性[3]。由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)手段的限制，并沒有事實證明這一猜想。那么水分子真的可以發(fā)出五顏六色的光嗎？直到2021年，華東師范大學(xué)張坤研究員為我們提供了直接證據(jù)[4]：當(dāng)水分子被捕獲到沸石的納米空間中時，水分子可以表現(xiàn)出從藍(lán)色到紅色不同強(qiáng)度的發(fā)光。當(dāng)水分子被限制在納米級的界面中時，可以檢測到熒光量子效率（熒光量子效率是衡量一個熒光物質(zhì)發(fā)光性能是否優(yōu)異的重要指標(biāo)，一般熒光量子效率越高，發(fā)光性能越好）。其原理是水分子中氧原子的p軌道在空間內(nèi)的重疊。這一新的發(fā)現(xiàn)可以說為人類提供了一個全新的視角來理解水分子。

圖3. 界面水發(fā)光原理示意圖（摘自文獻(xiàn)[3]）

5. 結(jié)論

“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定功能”是化學(xué)工作者常用的一句話。通過了解水的一些特殊性質(zhì)也能夠看出水分子之所以有這樣復(fù)雜的性質(zhì)，很多依賴于其空間結(jié)構(gòu)。水分子可以說是一種神奇的物質(zhì)，2005年曾被選為全球最前沿的125個最具挑戰(zhàn)的研究課題之一，可以說有太多的奧秘等待著人類去發(fā)現(xiàn)。本文從不同的角度讓人們更多地了解“生命之源”，走進(jìn)不一樣的水世界。