水为什么有这样大的神通

邓文龙

冯大诚 科学网博客 博文

水为什么有这样大的神通

2017-2-17 08:56

个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

关键词:水分子 结构 性质 极性 氢键

水为什么有这样大的神通

——老温与老华的闲聊天

老华： 嗨！老温！

老温： 老华啊，你好！

老华：坐在这里看报纸呢？

老温：是啊。您看，这篇报道说，谁“偷”走孩子们的科学梦？文章说：“调皮的小男孩问妈妈：‘妈妈，我们为什么要吃饭？’小男孩的妈妈面无表情地回答：‘当然要吃饭了，不然就会被饿死！’妈妈毫不在意的一句话，将孩子‘噎’在了沉默里。”文章批评了这位母亲的回答。其实，真要有孩子这样问，我们也都会这样回答的。

老华： 小孩子也不一定就“噎”回去，他也还可以问：“为什么会饿死啊？”哈哈！走吧！不看报纸了，我们还是散步去，边走边聊。

老温： 好！走。

老华：以后小孙子问你：“我们为什么要喝水？”你怎么回答？

老温：我还是只有说：“不喝水就渴死啦。”哈哈！哎，真的，我还真只有这样回答。我也说不出有什么好的回答。你给我说说看。我这个读文科的真是个科盲。

老华： 你不会告诉他：“贾宝玉说了，女人是水做的。你妈妈就是水做的，生下个你，所以你也是水做的，当然需要喝水。”

老温： 你又开玩笑了！我们说正经的。植物、动物都离不开水，水为什么有这样大的神通？

老华： 是啊，水真是有大神通。还是顺着上面的那句话说，我们人和所有的生物都离不开水。人身上一大半都是水。在这个意义上，不但女人，男人也是水做的。

老温：还是女人的水分更多吧？

老华： 错了，男人的水分更多。在娘胎里的时候，胎儿几乎百分之九十都是水，那时候男女一样。婴儿差不多有四分之三的水分，性别差别也不大。成年男人差不多百分之六十，女人则只有不到百分之五十五。男人的肌肉略多，女人则脂肪多。肌肉中含水更多，所以男人体内的含水量一般超过女人。到了老年，人体肌肉进一步减少，含水量也就更少了，但还是男人水分略多一点。

老温： 那我就真是弄错了。我还是要问，人体那么多水，有什么用处呢？

老华： 我们的身体就像一座复杂的化工厂，到处都在进行着化学反应，而这些化学反应几乎都在水中进行，水作为溶剂，让反应可以在比较温和的条件下进行，在很多情况下，水还参与了这些反应。

老温： 我想起来，海水里有盐分，水也是溶剂。

老华： 植物与动物一样，也是大化工厂，那么多化学反应，也都有水的参与或者作为溶剂，所以植物也需要水。

老温： 空气中也有水蒸气。

老华： 是的，有时候地面附近水蒸气太多了，就会有雾。我们现在常常有雾霾，其实雾霾的形成也与水有关。在空气中许多污染物的气态小分子相互反应形成雾霾的过程中，水分子仍然起着重要的作用。

老温： 为什么这么多各式各样的反应都有水分子的参与呢？

老华： 这个问题很有意思。首先，是水分子很多。在我们的地球上，能够流动的液体，水毫无疑问是绝对最多的。别的物质，要么是大量的固体，如石头、盐等。要么是气体，如空气中的氧气和氮气。其次，就与水分子的性质有关系了，水是一种极性很大的分子。

老温： 极性？什么是极性？

老华： 你知道磁铁，指南针就有两极，一头指南，另一头指北。两个磁铁的两级，异性相吸、同性相斥。这是磁铁的极性，称为磁极性。与此类似，如果一个分子的两头一头带正电荷，另一头带负电荷，我们称这个分子有电极性，常常就称极性。所带的正电荷和负电荷越多，离开的距离越远，这个分子的极性就越大。

老温： 所有的分子都由原子组成，原子又有带正电荷的质子和带负电荷的电子组成（当然，还有中性的中子，这个我还记得），那么，所有的分子都有极性了？

老华：那也不是，有些分子就没有极性。由于电子的运动太快，我们不可能确切地知道它在分子中的空间位置，但是，我们可以了解到分子中正电荷和负电荷的分布情况，看这些正负电荷的中心是不是重合，来确定分子的极性，但这是一件很复杂的工作。实际上，早在人们有能力计算出分子中的电荷分布以前好几十年，化学家就设想了一个简易而实用的办法。当时，人们设想原子是以电子结对成键而结合为分子的，他们把成键过程中各化学元素的原子吸引电子对的能力称为这个原子的电负性。

老温：我有点想起来了，中学的化学课上是说电子对成键的，还说外层电子有凑满八个的趋向。不知道对不对？

老华：马马虎虎吧。这样做的好处就是不用去管电子的运动了，我们已经把电子的作用合并考虑在原子的电负性中了。我们还是说水，水分子的组成，你还记得吧？

老温：那还记得，水是H2O，一个氧原子，两个氢原子。氧原子与氢原子各出一个电子形成电子对，使得氢氧原子之间通过氢氧键结合，水分子里有两个氢氧键。

老华：对了。氧原子的电负性比氢原子大得多，所以它们之间的电子对就更靠近氧原子，这个氢氧键就有极性，是一种极性键。

老温：那么，水分子的极性就是这样形成到了吧？

老华：那还不见得，还要看原子的排列位置。你认为在水分子中，三个原子是怎样排列的？

老温：我想，一定是氧原子在中间，两个氢原子在两边，一边一个，三个原子排成一直线，就像天上的牵牛星和它两边的两颗小星星差不多。

老华：如果这样排列就麻烦了？因为，虽然氧原子的电负性强，氢氧键中负电荷偏向于氧原子，但是，如果三个原子一直线，两个氢原子对称地排列在两边，正负电荷的重心重合，整个分子仍然是没有极性的。

老温：如果水分子没有极性又将怎样？

老华：如果没有极性，分子与分子之间的作用力就非常小。打一个比方，一大堆小铁钉，放在一起，铁钉之间没有什么吸引力，那就像“一盘散沙”，但是一对有磁性的小铁钉放在一起，由于磁铁两极相互吸引，这堆铁钉就将“抱作一团”。如果，水分子是没有极性的，他们就不容易抱团，很容易成为气体。换句话说，他们的沸点将非常低。

老温：低到什么程度呢？

老华：我们来看看与水一样，同样是十个电子的体系，甲烷，我们家里燃烧的天然气的主要成分就是甲烷，CH4。它的4个氢原子就是像粽子的4个角那样对称地排列在以碳原子为中心的正四面体的4个角上，从而是非极性的分子。它的熔点是-182.5℃，沸点是-161.5℃。如果水分子中间两个氢原子也是对称排列，那水的熔点和沸点也都差不多这个温度，那样，在现在这个温度下，水都将是气体，我们将很难看到液态水。另一方面，你会发现，甲烷的熔点与沸点只相差20来度，也就是说，它的液态可以存在的温度范围很小。如果水分子也是非极性的，那么它也将如此。现在，真实的水的熔点和沸点差别是100摄氏度，水可以在很大的温度范围内保持液态。在液态存在的温度差只有20摄氏度的情况下，地球上恐怕难以孕育出任何类型的生命体。

老温：哦，这个问题那么严重！

老华：所以，亏得水分子的三个原子不是排成一直线，氧原子在中间，两个氢原子在两边，但不在一直线上，成了一个“人”字形，氧原子在中间头顶，两个氢原子在两只脚上。氢氧氢之间有一个夹角，约104.5°，“人字的两只脚”叉得比较开。由于氧原子的电负性强，氢氧键上的电子就偏向于氧原子一侧，氧原子一侧（头顶）就带负电荷，两个氢原子的那一侧（脚下）就带正电荷。整个分子就有了极性。

老温：哦，原来水分子的形状是弯曲的，这又是为什么呢？为什么是弯曲的而不是一直线呢？

老华：刚才我已经说了，水分子是弯曲的，氢氧氢之间的夹角（我们叫键角）约104.5°，两个氢原子和氧原子之间的距离（我们称键长）各约0.098纳米。在这样的形状时，分子的能量是最低的，如果键角或键长分别再大一些或更小一些整个分子体系的能量便升高，体系就不稳定了。

老温：为什么体系能量最低才稳定？

老华：你在坑洼不平的地上扔一个玻璃球，它会往哪里滚？

老温：它会滚到一个坑里面去。

老华：它在高处并不稳定，容易滚到坑里，也就是它的势能比较低的地方。如果要从坑里面滚出来，滚到高的地方，就需要给它能量。这就是说，在能量低的地方，它才稳定。我们的各种分子都是一样，只要是稳定不变的分子，那就是会处在一个能量较低的状态，用一个术语，叫做处在能量的“极小值”。处于能量极小值的分子的键长、键角等称为这个分子的平衡构型。氢氧键长0.098纳米，氢氧氢键角104.5°的水分子，便是它的平衡构型，能量是最低的，也就是最稳定的。在通常状态下，水分子的键长、键角就在这个平衡状态附近。

老温：那我要进一步问一下，为什么这样的水分子是能量最低的？

老华：你真是打破沙锅问到底啊，看来你年轻时不应当学文，应当学理科的。

老温：学文的就不该问到底啊？我们先不扯这个。还是回答我的问题。

老华：为什么这样的水分子是能量最低呢？严格地说，这是氢氧氢三个原子核和十个电子（氧原子8个，氢原子各1个）相互作用的结果，这样去追究就太复杂了，这需要借助量子力学。但是，我们可以最简要、粗略地说明一下。我们先从甲烷说起，甲烷CH4，一个碳原子与4个氢原子。氢原子是最简单的原子，原子核外面只有一个电子。碳原子则有6个电子，其中2个电子处在能量很低的轨道，距离原子核比较近，它们不参加化学反应，其余4个电子能量比较高，距离原子核比较远，它们要分别与4个氢原子中的电子结成4对，也就是形成4个化学键。4个电子对相互排斥，但又与碳原子核相连，于是，这4对电子（也就是4个化学键）就以碳原子为中心，指向了4个不同方向，分别位于碳原子的左下方、右下方、前上方和后上方。打个比方，这相当于一个正四面体的蛋黄粽子，碳原子就是粽子中间的蛋黄，4个氢原子就在粽子的4个角上。各个氢碳氢夹角都相等，都是109°28′。

老温：甲烷的这个形状我弄清楚了。

老华：现在再来说水分子。氧原子核外有8个电子，与碳原子一样，也有两个电子在内层，能量很低，不参与化学反应，外层有六个电子，其中2个电子分别与氢原子中的电子结成对，分别形成2个化学键，剩余的4个电子自己分成2对，由于没有与别的原子形成键，人们称它们为孤对电子。这样，在水分子中，氧原子核外仍然有4对电子，其中2对是氢氧键上的电子，另外2对是孤对电子，这里的情况与上面所说的甲烷相似，由于电子对的相互排斥，4对电子也以氧原子核为中心分别指向四面体的4个角。但是，这里的情况又与甲烷略有不同，这里有2对不是化学键，是孤对电子，这样，这里的两个氢氧键之间的夹角变得略小，不再是正四面体情况的109°28′，而成了104.5°。

老温：这下子我有点明白了，正是有了这些孤对电子的作用，使得水分子的形状不是直线的，而是弯曲的，从而整个就有了极性。

老华： 可以这样理解。也还可以进一步说，由于氧原子的电负性很大，把氢氧键上的电子对扯向氧原子一侧，使带正电荷的氢原子几乎要裸露出来了。这样，当两个水分子靠近时，一个水分子中的氧原子通过其孤对电子与另一个水分子中的带正电荷的氢原子又可以有比较强的吸引。这样的分子间相互作用比一般极性分子之间的相互作用来得更强，人们把两个水分子之间的这种作用称为氢键。

老温：这样说起来，在液态水中间，就会有许许多多这样的氢键。

老华： 说得非常对。正是有许许多多的氢键，使得水分子之间的相互作用变得很强。也正是分子间有这样强的相互作用，使得水有这样高的熔点和沸点，使得水能够在这样大的温度范围内保持液态，使得水有很大的热容量（也就是需要吸收或放出较多热量才能够使体系的温度发生变化）。这些性质都是水特有的，我们可以看到，其他类似于水这样的只有很少几个原子的含氢的化合物，在常温下都是气体。另外，相对来说，水分子非常稳定，氢氧之间的键合非常牢固，不容易断裂，也就是不容易与大多数化合物特别是有机化合物发生剧烈的反应，许多反应需要酶的参与，等等。所有这些性质使得水能够在生命的产生和发展的过程中起到特别重要的作用。

老温：哦，原来是这样的。水分子的微观结构决定了它的性质，看来弄清楚这些分子的结构还是很重要的。

老华： 好了！好了！我讲得累了，我想你也听得累了。下次再聊吧。

老温：好，再见！

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