水之秘语：探究水分子的前世今生

    科技日报2005年2月8日讯  当大多数人每天拧开水龙头的时候，他们大概不会望着龙头里哗哗流出的水去想这样的问题：每个水分子是与周围的4个还是2个水分子结合？而科学家们却认为这很重要。
 
　　颠覆经典的最新结论

　　如果新结论一旦成立，应用长达一个世纪的经典教科书就有可能要被重写

　　长期以来，教科书告诉人们，水分子由2个氢原子和1个氧原子结合而成，每个水分子又与4个另外的水分子结合，形成一个四面体。根据这些结构知识，可以定性地解释水的各种性质。

　　在2004年行将结束的时候，一群来自美国、德国、瑞典和荷兰的研究者站出来宣称：每个水分子是与2个另外的水分子结合，而不是以前一直认为的4个。

　　这个未被进一步证明的新结论是用新的同步加速器X光照片得到的。天津大学环境学院教授赵林认为，如果新结论成立，那些建立在单个水分子基础上的理论都会受到影响。而另外的一些说法则更深化了新结论成立的意义：新结论一旦成立，应用长达一个世纪的经典教科书就有可能要被重写。

　　正是如此微小的水分子决定了水的各种性质，从而决定了水是生命之源

　　其实，拿水分子跟乒乓球相比，就好像乒乓球跟地球相比一样。但正是如此微小的水分子决定了水的各种性质，从而决定了水是生命之源。

　　根据科学家近百年来对水的研究表明，水是氢和氧的化合物，每个水分子由2个氢原子和1个氧原子组成。这2个氢原子各以最外层的1个电子与1个氧原子的最外层的2个电子组成2个共用电子对，使两种原子的最外电子层都达到稳定结构———这就是所谓的氢键———从而形成了水分子。液态水是以动态网络状态存在的，在一定条件下，表现出以不同水分子组成的、相对独立的分子簇特征。

　　如果认为液态水中全部水分子只与其周围两个水分子有关的话，那么水的熔点、沸点将会改变，从而会影响水的功能

　　“自然界中的液态水是以团簇结构存在这已是无可争议的研究结论，”赵林教授说，“只是随着条件的改变，其团簇的大小有所不同。”这种不同的团簇也包括1个水分子与其周围2个水分子通过氢键而组成的三聚水。赵林介绍，有关这方面的研究在美国的科学、化学物理学报以及物理化学学报上早就有成果发表。“如果认为液态水中全部水分子只与其周围2个水分子有关的话，那么，水的熔点、沸点将会改变，从而会影响水的功能。”赵林说。

　　这是一种新的结论，是否完全是事实还有待于多方面研究证实

　　现在的问题是每个水分子是与周围的4个还是2个水分子结合。赵林认为，这是一种新的结论，是否完全是事实还有待于多方面研究证实。

　　“改写教科书？这种说法有些过了。科学上的东西不能随随便便更改。”北京大学教授、中国科学院院士唐有祺对这个新结论有着自己不同的看法。

　　在唐教授北京的家中，他拿出一本自己编著的高等学校教学用书《结晶化学》（1957年版）给记者讲解：1个水分子跟周围的4个水分子结合，平均结合2个氢键。每个氢键连接着2个氧原子。因为跟另外2个分子一起结合，所以每个水分子平均和另外2个水分子结合。“他们的结论实际上与以前的（结论）是一回事，”唐教授说，“关于水与冰结构的大部分问题已经解决，只有在精确度等小的方面还有改进的可能。”

　　探究了千年的水中乾坤 

　　在古代，中国、印度和希腊人都把水看成是构成宇宙万物的基本物质元素之一

　　人类对水的兴趣与研究，可以说自有历史记载就开始了。在古代，中国、印度和希腊人都把水看成是构成宇宙万物的基本物质元素之一。直到18世纪后期，科学家们先是发现可燃气（氢气）燃烧后得到液体水，继而使水蒸气通过红热的铁管分解得到氢气，才定性地确定了水是氢和氧所组成。其后，科学家则对水中氢气和氧气的体积比和它们的密度反复作了确定。19世纪初，人类准确地得知水的分子式是H2O。

　　1933年，J.D.伯纳尔和R.H.否勒指出液体水在短程和短时间具有与冰相似的结构。1938年，J.摩根和B.E.沃伦根据水的X射线实验结果证明，从1.5℃到83℃，水的最临近分子数是4.4到4.9。

　　水的这些特性使得科学家进行了近一个世纪的研究，以回答某些需要

　　据天津大学环境学院赵林教授介绍，根据物质的熔点、沸点随分子量增大而提高的性质，说明水在固液态时并不是以单个分子存在，而是以水分子簇的形式存在并参与反应。

　　“正是由于这一特性，才使得地球上有大量的液态水存在，地球上才得以有生命繁衍生息。”赵林说，“也正是由于水的独特性质，水能够参与人体的新陈代谢全过程。”由于水具有较大的溶解能力和电离能力，它可以使体内的水溶性物质呈溶解状态和电离状态，保持体内的电解质平衡；又因为水具有较大的流动性，所以，它在人体内的消化、吸收、循环诸过程中起着对营养输送作用和对机体内代谢物的排泄作用；由于水的比热值较高（每克水在升高或降低1℃时需吸收或放出4184J的热量），蒸发量大，导热性强，所以在人体内它又起到调节体温的作用。

　　赵林教授认为，水的上述特性和功能可归纳以下几点：溶解时体积减小；在4℃密度最大；在正常情况下（46℃）等温压缩性最小；多种结晶形态（目前12种包括在高压下形成的晶体）；高的介电常数；具有异常高的熔点、沸点和具有既不是离子也不是金属的低分子量的临界温度；随着压力的增加液体的流动性增加；具有输运H+和OH-高运动性。“水的这些特性使得科学家进行了近一个世纪的研究，以回答某些需要。”赵林说。

　　在说明水分子中氢键重要性的时候，唐有祺教授用了“不得了”这个词

　　《中国大百科全书化学Ⅱ》（1989年版）中是这样介绍水的性质的：“水是很多酸、碱、盐等物质的优良溶剂，因此，自然界的水总是溶有杂质。纯水是使用铂或石英器皿经过几次蒸馏得到的。”

　　“……水是用于确定许多物理常数值的标准物，它本身的性质却有许多异常。例如，水在0℃—4℃之间，随着温度升高，密度不是减少而是增大，到4℃时达到最大值，过此则密度随温度升高一直减小。除了水，就一组同族化合物来说，它们的沸点和凝固点一般随着化合物分子量的增加而升高。而这些特性皆源于冰、水中分子间氢键缔合的结构本质。”

　　在说明水分子中氢键重要性的时候，唐有祺教授用了“不得了”这个词。

　　水还有多少未解之谜

　　水与人们的生活密不可分，似乎是一种人们再熟悉不过的物质，但在科学家看来，水里依然有乾坤，仍有不少未解之谜。

　　对于科学家来说，水的结构与化学性质依然是最令他们困扰的研究方向之一。“比如喝山泉水能长寿，除了简单的无污染解释之外，是否与水的物质结构有关？水分子能加入蛋白质的构想，会不会对基因突变有影响？”赵林教授说，“对这些与人类息息相关的水的性质研究，还需要科学的发展来进一步研究。”

　　■新闻缘起

　　当古老、潮湿的火星证据成为二○○四年的聚光灯中心时，科学家们对水的性质的认识也如潮水般地在增加。多个国家的研究者站出来宣称：每个水分子是与两个另外的水分子结合，而不是以前一直认为的四个。如果这一结论进一步被证实，那么有关水的结构和化学性质的新发现将改变从化学到大气学等各个领域。毫无疑问这一研究成果也入选了《科学》杂志评出的二○○四年度十大科学突破。