水奇异的特性
2025-10-09 10:20:54   来源： 第一新闻网   评论：0 点击：

　　水是一个氧原子和两个氢原子组成的化合物，化学式简单为H2O。因此，有人说：“水就是H2O。”水真的那么简单吗？其实水性奇特复杂，集极端矛盾对立的特性如刚柔于一体。要很好认识水，必须首先从认识水分子结构和水分子间的氢键连接开始。

　　1. 水分子结构。水分子像一个四面体，氧原子在四面体的中心，两个氢原子分别位于四面体底边的两个角点上，它们的结合角为104.5°。氢原子和氧原子是用十分牢固的化学键相连接的（图1）。氧原子有8个电子，两个氢原子各有1个电子，因此水分子共有5对个电子：一对电子位于氧原子核附近；另两对电子分别位于氧原子与氢原子的连线上，而靠近电负性（吸引电子的能力）强的氧原子，氢原子核因离电子远几乎裸露而带正电荷；最后两对电子为孤对电子，分别处在四面体顶边的两个角点上。因此，水分子是带正、负电荷的极性分子（图2），赋予水良好的溶解力，故自然界中的水不是纯水，而是化学成分十分复杂的天然溶液，组成地壳岩石的化学元素，目前在天然水中几乎都已发现。

　　2. 水分子的氢键连接。水分子中氢原子除与电负性大的氧原子以化学键相结合外，这个带部分正电荷的氢原子还可与另一个带部分负电荷的氧原子结合形成氢键。氢键基本上属于静电吸引作用，比化学键的键能小许很多，因此水分子H2O具韧性。每个水分子有四个氢键（图3）。四个氢键能与相邻的四个水分子相连接缔合成水分子团H2O。常讲的水分子H2O实际上是对水分子团(H2O)n的简化。

　　水分子缔合是一物理过程，它不改变水的化学性质。与缔合相反的过程称为离解。缔合是放热过程，离解是吸热过程。所以温度升高，水的缔合程度降低，n减小；温度降低，水的缔合程度增加，n增大。因此水分子团(H2O)n中的n，随着水温的升降而变化：当水温高于100℃时n=1，水呈气态，主要由单体水分子组成，此时水才是H2O。据一些科学家的研究，当水温为250～300℃时n=1，此时水分子才全是H2O。0～100℃时，水呈液态。液态水的水分子多以分子团(H2O)n形式呈现，也含少量的单体水分子H2O，随水温升高，水分子缔合程度不断降低，单体水分子不断增多。液态水分子团(H2O)n中n的多少只是一个平均数，据红外吸收谱带的实验数据，水温0℃时n=130，20℃时n=90，72℃时n=60。水分子团中水分子的排列形式有条形、环形、六角形和多边形等。水温0℃或小于0℃时，众多水分子结晶冻结成巨大呈六边形排列的水分子团。

　　水分子活泼好动，活性强，因此水分子团是一种动态集合体，瞬时而变。其相对稳定时间不到200飞秒（1飞秒=1秒的一千万亿分之一），即不断有水分子加入水分子团，与此同时，又不断又有水分子离开水分子团。

　　国家纳米科学中心研究员裘晓辉和副研究员程志海领导的实验团队，以及中国人民大学物理系副教授季威领导的理论计算小组合作捕捉到连接水分子的氢键图像（图4）。

　　水分子结构的特殊性和水分子之间的氢键连接赋予水性刚柔兼具、与众不同的奇异特性。

　　3. 水性刚柔。液态水分子中氢和氧是由十分牢固的化学键相连接的，故水是打不烂、折不散的天然刚性之物，所以水稳定性好，同地球和生命永存。成语“滴水穿石””汹涌澎拜”“排山倒海”正好是对水刚性的写照。一个含溶蚀性二氧化碳的水滴，犹如一把金刚钻，先滴水成孔，再经数十万年甚至百万年的地质历史时期，地下水流孜孜不倦的溶蚀，能把坚硬的碳酸岩层磨溶成厅堂式的大洞穴，称喀斯特洞穴。

　　液态水主要由水分子用氢键缔合成的水分子团组成。氢键的键能比化学键弱许多，具韧性特征，故水性温顺，体无形，可方可圆，是割不断的柔性之物。成语“柔情似水”是对水柔性的写真。水分子“好友”携手结成“朋友圈”同行，同时还“喜新厌旧”，朋友圈瞬时而变，故水滴成线，水流成河，连续性好，是割不断天然之物，有李白诗云“抽刀断水水更流，举杯消愁愁更愁”。水性温顺还表现在，只要给他一点位能，指向哪里，他就奔向哪里，忧如“天地相合，以降甘露”（老子《道德经》第32章）。

　　4. 结语。水不只是H2O，不是那么简单。首先从结构上讲，水主要是由H2O缔合成水分子团(H2O)n组成的缔合物。其次从水的化学成分上讲，水不是纯水，而是天然溶液。水性刚柔并具，集矛盾的两方于一体，互不干扰，各司其职，实为罕见；水分子的氢键连接使得地球上水以气相、液相和固相同存，为地球水循环奠定了物质基础，因此地球生命不息，一片生机盎然；水温顺并且无私奉献，天天享用水恩赐的人们应感恩水，呵护好水，否则愧对水，也愧对自己。（南京工业大学退休教师 贺大印）