水是分子晶体,看一种粒子是不是某种晶体并不是看它由什么组成,是看空间结构。
如果不是因为水非常普遍,我们可能会认为它是一种非常奇怪的物质。水有着一系列不同寻常的属性,而且至今我们仍然不能完全理解它的结构。
在最基本的层面上,水的结构几乎不能更简单了。就像我们都知道的那样,水的分子式是H2O,由两个氢原子与一个氧原子构成。但是,一旦我们开始进行更加深入的调查,在这种看上去非常简单的分子结构下,一些稍微不寻常的性质就开始浮现出来,并且我们研究得越深入,水就会变得越陌生。伦敦南岸大学的化学家马丁·卓别林教授曾经编写了一份包含73项关于水的异常之处的清单,其中一些可以通过我们对水的结构的认知来解释,然而其他的奇怪性质至今仍然是谜团。
一种较容易解释的异常是冰往往浮在水面上,这个现象我们都知道,当我们把冰块放在饮料中时,冰块会浮在顶部而不是沉到底部,这是因为冰的密度比水小。水是拥有这种现象的极少的几种物质之一,也是唯一一种常见的固体状态比液体状态轻的物质。当其他物质的液体开始凝固时,其中的原子或分子从相对活跃的状态逐渐慢下来,并开始形成固态的晶体结构,其中的粒子排列更加紧密,使得固体比液体更重。在水中却出现了相反的现象,这是因为水分子中含有特殊的氢键结构。
水的怪异之处
水分子的基本结构是V型,底部是一个较大的氧原子,顶部两个较小的氢原子通过较强的共价键连接在氧原子上。较大的氧原子具有比氢原子稍高的负电荷,导致整个分子表现出极性,其中氧原子带负电,氢原子带正电。这些电荷相当小,但是不同的水分子间通过相反的极性相互吸引,形成了所谓的氢键。虽然氢键比共价键弱得多,但仍然对结构有所影响。当液态水温度降低,热能减少时,分子的移动开始变得更慢,分子间的距离与其他物质一样逐渐减小。大约4摄氏度时,水能够达到最大密度,随着温度继续降低,分子间氢键变弱,分子间的距离增大。因此,随着冰的形成,其内部反而具有更加开放的结构,占据了更大的空间体积。在寒冷的条件下,这一过程意味着冰会在湖泊和河流的顶部形成,而在冰下流动的水便可以允许生命继续存活。黏黏的水分子氢键的存在意味着,与其他物质相比,水分子更倾向于黏在一起,这就解释了其他的一些奇怪性质。水具有较高的熔点和沸点,这意味着它可以在地球表面相对较窄的温度范围内以冰、水和水蒸气3种形式存在,从而有了天然水循环。水具有很强的表面张力,从一些野生动物纪录片的特写中可以看出来,当一只昆虫划过时,其下方的水面也相应地弯曲了—这是毛细现象,水会通过极窄的管道反抗重力向上流动。其次,水还具有吸收招矿较多热量的能力,因此地球表面大量水的存在可以起到调节气候的作用。
目前,人们可以精确地描述水分子在气体和固体状态下的结构,但是还没有完全确定其在液体状态下的结构。在水蒸气中,分子是可以自由移动的;而在冰中,氢键使得4个水分子形成四面体的结构,就像一座具有三角形基座而不是正方形基座的金字塔。在教科书中,液态水通常也被描述为四面体结构,尽管它们之间的距离比固体状态下更远,并且间隙中还存在很多自由分子,这导致了液体状态下物质密度的增加。但是研究表明,这种结构不能完全解释水的所有性质,至今还没有一个独立的理论能够解释这切。所以,不管我们对水是多么熟悉,水仍然是我们的一大谜题。