水分子不再只是H2O
2020-12-06 蝌蚪五線譜雖然都是一氧化二氫，但水分子在不同條件下卻表現出了不同的狀態。
圖：nantonov/istock雖然肉眼看不出來，但一杯水中包含了兩種不同類型的水分子，它們以微妙不同的方式在旋轉著。
最近的一項實驗成功地分離了它們，且研究人員發現其中一種水分子的化學反應速度比另一種更快。這種「更優質的水」雖然不至於在市場上引起波動，但這一發現的背後隱藏著一個量子化學的福音。
來自瑞士巴塞爾大學的化學家們利用靜電場，根據水分子的核自旋數對它們進行排序。
自旋是粒子的量子性質，描述了它們自由運動的角度。不同類型的粒子可以根據這個屬性的值進行分類。
其中一種鄰位異構體版本的水分子，組成其原子核的粒子的複合自旋加起來的總值為1。
而另一種對位異構體版本的水分子，它的核自旋總值為0。根據分子中原子運動的基本原理，兩種版本的水分子雖然非常相似，但卻以不同於對方的方式旋轉。
多數情況下，自旋不變，分子作為鄰位或對位異構體的身份也不會改變。
問題在於，兩種化學式與化學鍵相同、但結構不同的水分子之間在自旋上的理論差異，是否會對它們和其它物質發生的化學反應造成什麼顯著的影響？
為了找出答案，研究人員在由鈣離子製成的超冷晶體中塞滿了二亞胺氮鎓離子（N2H+）。
然後，他們將對位異構體水分子和鄰位異構體水分子注射進晶體中心，與二亞胺氮鎓離子進行反應。
通過計算一段時間後晶體中N2H+離子的殘留量，研究人員可以測試出哪一種異構體的水分子的化學反應速度更快。
在計算結果時，他們發現，對位異構體水分子扭曲與旋轉的現象表明了該類型的水分子比鄰位異構體的水分子的化學反應速度快了23%。通過計算機模擬分析數據也證實了這一差異性，即並不是所有的水分子都是以相同的方式運行。
毫無疑問，該研究一發布，馬上就會有一些公司以「異構體水分子」製造噱頭，售賣「更高級」的礦泉水。
但對我們大多數人來說，水就是水。喝下一杯鄰位或對位異構體的水對於你的健康的影響來說並沒有什麼差別。
但對化學家來說，水分子不再普通，兩種異構體在與同一種物質發生化學反應時的差異性會對他們研究水分子的特性有很大的影響。
雖然都是一氧化二氫，但水分子在不同條件下卻表現出了不同的狀態。
由於目前生命被定義為了複雜的水溶性化學，因此，了解物質如何分解、如何與水分子發生反應，對於我們深入理解生物學及其起源至關重要。
除了水的奇異性，該實驗的結果也顯示出了我們不斷增長的模擬與測試不同量子特性對整個分子的影響的能力。
該研究的主導者、來自巴塞爾大學的化學家Stefan Willitsch說道：「如果能更好地控制參與化學反應的分子的狀態，就能更好地研究和理解化學反應的潛在機制和動力學。」
直至最近，科學界才給世界上最精確的化學反應寫上了一筆記錄——單個鈉原子與銫原子的短暫結合。
了解分子的量子特性，以便在如此精細的水平上操縱它們的化學反應性，這是目前化學研究的新前沿。
該研究發布於《Nature Communications》。
蝌蚪五線譜編譯自sciencealert.com，譯者狗格格，轉載須授權
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