@ 2015.06.24 , 10:09
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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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TOTAL COMMENTS: 37+1

  1. 林大鸟多
    @2 years ago
    2838516

    然并卵

    [16] XX [169] 回复 [0]
  2. 虫合虫合
    @2 years ago
    2838519

    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
    ——
    已弯,已湿……

    [86] XX [2] 回复 [0]
  3. 神响
    @2 years ago
    2838520

    水“是弯的”

    全文主题句以及中心思想以及写作目的以及作者感想以及评论

    [59] XX [2] 回复 [0]
  4. 2838523

    我只看见了“水是弯的”……煎蛋已经开始从分子层面上掰弯我们了

    [111] XX [4] 回复 [0]
  5. sherlockjump
    @2 years ago
    2838530

    所长我们这期经费又没有了系列

    [20] XX [2] 回复 [0]
  6. 2838540

    因为水如果是干的,你又要问为什么它是干的

    [37] XX [2] 回复 [0]
  7. 开你妹的玩笑
    @2 years ago
    2838545

    又水了一篇文章

  8. 普京
    @2 years ago
    2838551

    @林大鸟多:
    中国人里有太多然并卵的人存在,他们对人类的进步毫无助益却对真正投身于科学事业的人施以冷嘲热讽。我建议把像你一样的这部分人送去新疆戈壁滩挖石头。

    [255] XX [13] 回复 [0]
  9. 河畔小镇
    @2 years ago
    2838559

    水只是能浸润大多数常见材料而已,但也不是所有东西都可以被水弄湿,比如对于石蜡来说,水就是不浸润液体。

  10. jackash
    @2 years ago
    2838569

    水为什么那么湿 大概是因为它的大部分比例都是水吧

  11. 雨雨
    @2 years ago
    2838570

    @普京: 普京大帝,这个事情就拜托你了

    [18] XX [2] 回复 [0]
  12. 天堂鸟1412
    @2 years ago
    2838573

    为什么交代是粘的?

  13. daydream
    @2 years ago
    2838599

    感觉有点不知所云,这问题化学专业的应该几句话就解释清楚了。氢键?

  14. nibabaya
    @2 years ago
    2838602

    我觉得这个是个语文问题

  15. penguin
    @2 years ago
    2838639

    @普京:
    这样太残酷了!只要令到他们的卵没有用就可以了,何必要他们当苦工!

  16. 2838658

    常见的东西都不是疏水材料而已

  17. 不匿
    @2 years ago
    2838668

    氢键的能量相当大了,这就是为啥分子量这么小却仍是液态,其他同级分子量的基本都是气态的原因了

  18. raespsp
    @2 years ago
    2838697

    为什么这种感觉叫湿?

  19. danjan
    @2 years ago
    2838702

    啊,我疯了……

  20. 电池哥的姥爷
    @2 years ago
    2838776

    @普京: 还是没说清楚水分子的状态,四面体分子构型,也就是有四个氢原子围绕着一个氧原子。然后其中的两个和另外两个再围绕一个氧原子……那么,水蒸气(不是汽)的分子结构呢?也没有解释为何雪花是平面六角的而不是四面体的!因为这些只说一半的文章,所以……我要说…………然!并!!卵!!!

    [2] XX [24] 回复 [0]
  21. 2838795

    @天堂鸟1412: 分子间的引力,中学必备技能

  22. 2838798

    如果标题是裤裆为什么是湿的,可能我会更感兴趣的

  23. 夜光虫
    @2 years ago
    2838799

    看到大家都在正常的讨论分子结构啊,材料科学啊 。而我的鼠标里却复制着这么一段:
    ——————————————————–
    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?”
    ——————————————————–
    我感觉很羞愧。 。 。 。 。

    [18] XX [1] 回复 [0]
  24. 2838802

    @普京: 别闹、现在在戈壁上挖石头都是去捡奇石和戈壁玉的
    这应该去黑煤窑里挖煤

  25. 勇敢的骚年
    @2 years ago
    2838959

    难道没有一个蛋友觉得表面张力才是正解吗?

  26. 2839001

    多年之后在学校里被遇到这个问题
    被遇到这个问题
    被遇到
    這是中文嗎

  27. 怪事
    @2 years ago
    2839052

    @普京: 不要提醒他们,让他们继续然并卵。

  28. 2839061

    看到四面体构型思考了半天,然后发现是把孤对电子也算进去了。事实上讨论分子构型不考虑孤对电子,水的形状就是bent,不是四面体

  29. 阿岛
    @2 years ago
    2839180

    只是我们把接触水的感觉记作湿。
    比如我们用感冒两个字,代替头痛,头晕,疲倦,鼻塞,流涕,喉咙痛,咳嗽等一系列综合症状。以便于我们向别人交代健康状况时,只需要说“我感冒了”。而不是每次都说“我正在头痛,头晕,疲倦,鼻塞,流涕,喉咙痛,咳嗽”。那水为什么有水的感觉?你大脑对信号是这样处理的,如果能改变大脑的软件,也可以变成别的感觉。材料有亲水性和疏水性之分,这和水具有氢键有关。人的神经能测到这种特性。
    这似乎是有规律有道理的事情,然而物质世界乱得像一锅粥,若非我们大脑对感觉信息的加工,有序与混沌其实无任何区别。

  30. 2839188

    是弯的??

  31. 2839287

    @普京: 知道么,还有个更好的办法就是把这些供养成本大于社会贡献的人圈养做肉人。

  32. 百得
    @2 years ago
    2839370

    越说越糊涂。水分子是H二O(一),你跟我扯什么X四Y(一)是几个意思?

  33. 嗷嗷
    @2 years ago
    2839507

    花儿为什么是香的?因为有你;草儿为什么是绿的?还是因为你;屁为什么是臭的?是因为老白。 —吕轻侯

  34. 2839516

    仿佛回到学化学竞赛的时候

  35. thisay
    @2 years ago
    2840346

    有难有易,爱知道哪一层随你便,只要你遇事够用就行了。
    就事而论,其实很多楼都点水了,只是懒得说完整。比较简单地说就别管太基础的,略过怎么制造类似水的东西,单说水为什么显得湿。
    全靠水和手皮的完全型互动,完全型是水和皮的互动,还有水和水的互动,看这些互动分别对水、对手皮,有什么效果。
    水和皮的吸引,力道接近水和水的吸引,自然容易都粘在一起,就像生日蛋糕砸脸,奶油糊住脸,也糊住没碰脸的第二梯队奶油,没有什么从哪儿互相隔开的明显跳档,所以湿跟糊差不多的。

    反例可以强调这个互动效果的特点:手皮先涂油脂,再碰水,水只能碰到油,它们的吸引,力道明显小于水和水碰面,拔河的结果,就是水被水拉走,脱出油脂的魔爪,自己玩内部抱团,没有奶油糊脸的无间隔情况,此乃同质相连、异质相分之局面也,不觉得水把手皮打湿。

    破例可以再三强调:手皮涂油,再滴洗洁精,搓一搓再碰水,洗洁精对水对油的吸引力道都更大,做了中介,降低了水-水、水-油的吸引力道差距,又能出现奶油糊脸的异质相连了。

    所以主要因为想说的A物和B物,互相吸引的力道,马马虎虎比较是 A吸B=A吸A=B吸B,导致无差别互相乱粘吊膀子,没有自动隔离的异质分离结局。

  36. thisay
    @2 years ago
    2840364

    这有哪颗卵用呢?要看你想干什么事,各有不同的用法。

    你想把涂在卵皮上的润滑油洗掉,正向思维方法是取汽油来搓卵皮,汽油和润滑油很吸引,还容易灰化肥会挥发,从卵皮上拉走润滑油,再凉飕飕的挥发,你的卵才干净了,不会这法将有油腻卵蛋之烦恼。
    逆向思维洗卵法,是规避边洗卵边抽烟的汽油起火烧蛋风险,取水来搓,但滴入洗洁精,中介调低水-水、水-油的吸引力道差距,同样能为卵皮脱油,允许抽烟。
    超卵用法则很多,只要想把本来混杂的不同东西分离,或者把本来不混的不同东西混合,就得改变它们和同质、异质物体的吸引力道差距,想分离就调高,想混合就调低,做奶油,做巧克力,做饺子陷,选矿除渣,洗内裤,洗机器零件,做不干胶,炼铁排渣,内燃机汽缸活塞润滑,做发胶牙膏,做油漆刮腻子,防水藻爆发产物润湿海鸟羽毛,做温度计,等等,等等等等,反正别在购买有关服务时说无卵用,不然服务员有权恶意抬价收取卵用费,投诉无效不受理。

  37. star_阿卷
    @2 years ago
    2841277

    好长

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