@ 2015.06.24 , 10:09

为什么水是湿的?

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水为什么是湿的?这并不是一个脑筋急转弯,它的答案也并非“神经病,因为水本来就是湿的啊”——这是一个,咳咳,严肃的化学问题。

《鹦鹉螺》杂志前不久刊登了这样一篇文章,作者是来自加州大学伯克利分校的化学教授/“水专家” Richard Saykally。对于标题中的问题,他是这样解释的:

当我的女儿们还小的时候,我们曾经就这个问题做过一些探索。事情的起因是这样的,当时我的女儿们在浴缸里泡澡,这时最小的女儿突然问我,“爸爸,为什么水是湿的呢?”对此正确的答案是:液态水分子的四面体构型(tetrahedral hydrogen bonding)。多年之后在学校里被遇到这个问题,她们会向老师回答说:“是因为四面体分子构型!”——没错,这就是该问题的正确答案。

这个术语对大家或许没有什么意义,但在看了下面的图示之后,再想想水分子的这种结构有多奇特,或许你会开始对“四面体构型”有些概念。

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上图就是一个典型的四面体键。和你猜测的一样,一个正四面体分子构型中,每个键角角度都约为109.5度(正四面体分子构型),形状为金字塔型。但液态的水分子并非这样规规矩矩的四面体——水分子中未成键的孤对电子将两个氢原子相互推拢,这样其中一个夹角变成了104.5度,整个四面体变得不规则

讨论水为什么是湿的时,很多时候我们所说的是水的“附着性”——为什么水碰到水就能融合到一起?为什么天花板上的水珠能吊这么久?为什么一滴水滴在硬币上,倒出来一半硬币上却出现更多个水滴?

如果你能看到水分子的一举一动,你会注意到水分子时刻都在吸引着旁边的水分子邻居。每个水分子里有两个氢原子和一个氧原子。它超强的附着性就要归功在这两个氢原子身上。氢键是分子间一种永久偶极的作用力,它发生在已经以共价键与其它原子键合的氢原子与另一个原子之间,通常发生氢键作用的氢原子两边的原子都是电负性较强的原子。一个水分子中的两个氢原子位于氧原子的一侧,被氧原子和邻近的水分子邻居中的氧原子所吸引,这时就发生了氢键反应。水分子因为其偶极性导致它们互相之间又稳固的氢键牢牢拴在一起,就像下面的图一样。这就是为什么水会“打湿”
东西。

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所以如果你听到有学化学的人告诉你水“是弯的”,现在你应该知道意思了。Saykally 之后更详细地解释了为何这种分子结构会赋予水神奇的属性:

水分子簇(或水分子团,"water cluster")指超过两个水分子形成的一种排列方式,比如两个水分子所形成的二聚水。当然这种由两个水分子聚合形成的大水分子并没有什么形状可言,而当聚合分子中的水分子数量上升时,水分子簇的形状会产生各种变化。三个水分子的水分子簇形状为环状;四个水分子会聚合成接近方形的环状;五个水分子聚合成五角形;而当数量上升至六时,聚合物的形态就从平面圆环转变为三维的笼状结构;由此类推,当它为七聚体,八聚体,九聚体时形态也类似。其中八聚体的形状近似于一个拉伸后的立方体,之后更大数量的聚合体都在这个立方体基础上变化。上面所提到的都是可以在绝对零度时找到的,比较常见且稳定的结构。

[keep_beating via io9 / exploratorium]


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