溶解一個水分子,需要幾個水分子?

2021-03-05 X-MOL資訊

一個頭髮茂密的人少一根頭髮，肯定不能說他禿頂，再少一根頭髮，貌似也沒啥……如果時間足夠長，頭髮一根根地少，終於在某一根頭髮掉落之後這個人就成了禿頂。那麼，在這根頭髮掉落之前，那個人是不是禿頂？一粒稻穀肯定不能稱之為谷堆，再加一粒肯定還是不行……如果一粒一粒的往上加，終於會有某一粒稻穀，加上之後就成了谷堆。那麼，在這粒稻穀加上之前，地上這一堆稻穀是不是谷堆？這兩個與「量變」和「質變」有關的有趣問題，可以被稱為「禿頭悖論」、「谷堆悖論」，源自最早古希臘麥加拉學派歐布裡德和阿萊克西努提出的一系列連鎖悖論（sorites paradox）[1]。當然，今天不是要討論哲學問題，這兩個悖論與我們要介紹的文章有些許相似之處。

理想情況下，每個水分子都能接受和提供兩個氫鍵，在水溶液中構建起一個空間網絡，通過分子間相互作用改變自身及水溶液的理化性質，實現溶劑化效果。和上面的悖論類似，一個水分子不能實現溶劑化，兩個水分子也不能「彼此成全」，這時水分子的行為與一杯水中水分子的行為還不一樣，從這個角度上說它們還不能被稱之為我們通常意義上的「水」。那麼問題來了：一個水分子至少需要幾個水分子才能完全溶解，實現從量變到質變的溶劑化過程呢？

近日，義大利米蘭大學Michele Ceotto課題組在Chemical Science 雜誌發表論文，通過使用量子衍生半經典光譜法來模擬尺寸逐漸增大水團簇的振動光譜，捕捉其全部的振動特徵，並與液態水的譜圖進行比對。結果發現，水團簇最少需要21個水分子才能實現溶劑化，即一個水分子周圍至少需要20個水分子，才能將其「溶解」。

水團簇及光譜圖示意圖。圖片來源：Chem. Sci.2019年，Thomas Zeuch等人通過對紅外光譜和自由能的研究，模擬出了維持冰團簇需要90~150個水分子[3]。然而，研究液態水之間的相互作用仍然面臨兩大困難：從實驗角度，很難精確地確定構成水團簇的分子數及其排列方式；從理論角度，模型涉及幾十個自由度，關鍵的量子效應影響因素難以確定。

結晶水團簇的每個分子摩爾自由能模擬。圖片來源：PNAS [3]秉承從簡到繁的原則，想要確定團簇水分子的個數，先要從水分子二聚體入手尋找規律。眾所周知，在液態水中，紅外光譜位於3200到3550 cm−1之間存在一個很寬的伸縮振動特徵峰，以及在1650 cm−1附近彎曲振動和2100 cm−1左右的平動彎曲組合區。然而，水分子二聚體在3657 cm−1和3756 cm−1處呈現特徵峰，與液態水的特徵譜圖不符。

水分子二聚體和液態水的紅外譜圖對比。圖片來源：Chem. Sci.研究者將模型拓展至三聚體和六聚體，從模擬計算中可以發現，相比於液態水，伸縮振動也都呈現出藍移的趨勢，空間結構表明小團簇無法形成四面體配體，不能實現溶劑化。研究者猜想，水團簇必須出現四面體結構，即伸縮振動特徵峰與液態水相符應該是「溶解」的必要條件。

水分子三聚體和六聚體的計算模擬。圖片來源：Chem. Sci.隨後，研究者又對水分子五聚體和七聚體進行計算模擬，這些團簇伸縮振動與液態水的吻合，可以形成四面體。然而在1900-2300 cm−1範圍內的特徵峰並未出現。這說明四面體結構只是必要條件，而非充分條件，在此基礎上還需要通過氫鍵形成水分子雙殼層。

水分子五聚體和七聚體的計算模擬。圖片來源：Chem. Sci.隨著團簇水分子數量的增多，在十九聚體中，終於出現了雙殼層結構，其紅外譜圖與液態水接近。然而，二者仍存在不同，即彎曲振動和伸縮振動都發生了藍移。繼續增大水分子數量，二十一聚體終於和液態水吻合。因此，研究者認為，21個水分子是實現溶劑化的最小單位。

水分子十九聚體、二十一聚體和二十三聚體的計算模擬。圖片來源：Chem. Sci.研究者希望這項工作不僅是探索水的性質，「我的主要目標是為大家提供一個強大的分子動力學模擬方案，能夠包含量子效應和精確的分子力學描述」，Michele Ceotto說，「需要量子計算的不僅是電子運動，要正確描述原子核運動也必須考慮量子效應。」[4]How many water molecules are needed to solvate one? Alessandro Rognoni, Riccardo Conte, Michele CeottoChem. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D0SC05785A1. The Sorites paradox: an event that shows how logic can fail in practicehttps://www.poxox.com/2020/05/the-sorites-paradox-event-that-shows.html2. D. Marx, Throwing Tetrahedral Dice. Science, 2004, 303, 634-636. DOI: 10.1126/science.10940013. D. R. Moberg, et al. The end of ice I. PNAS, 2019, 116, 24413-24419. DOI: 10.1073/pnas.19142541164. How many water molecules make a droplet?https://www.chemistryworld.com/news/how-many-water-molecules-make-a-droplet/4013080.article

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