水為什麼是溼的?這並不是一個腦筋急轉彎,它的答案也並非「神經病,因為水本來就是溼的啊」——這是一個,咳咳,嚴肅的化學問題。
《鸚鵡螺》雜誌前不久刊登了這樣一篇文章,作者是來自加州大學伯克利分校的化學教授Richard Saykally。對於標題中的問題,他是這樣解釋的:
當我的女兒們還小的時候,我們曾經就這個問題做過一些探索。事情的起因是這樣的,當時我的女兒們在浴缸裡泡澡,這時最小的女兒突然問我:「爸爸,為什麼水是溼的呢?」
對此正確的答案是:液態水分子的四面體構型(tetrahedral hydrogen bonding)。多年之後在學校裡被遇到這個問題,她們會向老師回答說:「是因為四面體分子構型!」
——沒錯,這就是該問題的正確答案。
這個術語對大家或許沒有什麼意義,但在看了下面的圖示之後,再想想水分子的這種結構有多奇特,或許你會開始對「四面體構型」有些概念。
上圖就是一個典型的四面體鍵。和你猜測的一樣,一個正四面體分子構型中,每個鍵角角度都約為109.5度(正四面體分子構型),形狀為金字塔型。
但液態的水分子並非這樣規規矩矩的四面體——水分子中未成鍵的孤對電子將兩個氫原子相互推攏,這樣其中一個夾角變成了104.5度,整個四面體變得不規則。
討論水為什麼是溼的時,很多時候我們所說的是水的「附著性」。為什麼水碰到水就能融合到一起?為什麼天花板上的水珠能吊這麼久?為什麼一滴水滴在硬幣上,倒出來一半硬幣上卻出現更多個水滴?
如果你能看到水分子的一舉一動,你會注意到水分子時刻都在吸引著旁邊的水分子鄰居。
每個水分子裡有兩個氫原子和一個氧原子。它超強的附著性就要歸功在這兩個氫原子身上。
氫鍵是分子間一種永久偶極的作用力,它發生在已經以共價鍵與其它原子鍵合的氫原子與另一個原子之間。
通常發生氫鍵作用的氫原子兩邊的原子都是電負性較強的原子。一個水分子中的兩個氫原子位於氧原子的一側,被氧原子和鄰近的水分子鄰居中的氧原子所吸引,這時就發生了氫鍵反應。
水分子因為其偶極性導致它們互相之間又穩固的氫鍵牢牢拴在一起,就像下面的圖一樣。這就是為什麼水會「打溼」東西。
所以如果你聽到有學化學的人告訴你水「是彎的」,現在你應該知道意思了。
Saykally之後更詳細地解釋了為何這種分子結構會賦予水神奇的屬性:
水分子簇(或水分子團/water cluster)指超過兩個水分子形成的一種排列方式,比如兩個水分子所形成的二聚水。當然這種由兩個水分子聚合形成的大水分子並沒有什麼形狀可言,而當聚合分子中的水分子數量上升時,水分子簇的形狀會產生各種變化。
三個水分子的水分子簇形狀為環狀;四個水分子會聚合成接近方形的環狀;五個水分子聚合成五角形;而當數量上升至六時,聚合物的形態就從平面圓環轉變為三維的籠狀結構;由此類推,當它為七聚體、八聚體、九聚體時形態也類似。
其中八聚體的形狀近似於一個拉伸後的立方體,之後更大數量的聚合體都在這個立方體基礎上變化。
上面所提到的都是可以在絕對零度時找到的,比較常見且穩定的結構。