探秘水的世界

河北省承德市營子區教育局中學教研室 張學軍

探秘水的世界

河北省承德市營子區教育局中學教研室 張學軍

在古希臘，恩貝多克勒提出，宇宙間只存在火、氣、水、土四種元素，并由它們組成世間萬物。之后在很長一段時間內，水一直被人們認為是一種元素。直到18世紀末，這種錯誤認識才得以顛覆。那么，對于水的組成的認識過程，又充滿著怎樣的傳奇色彩呢？故事要從兩百多年前說起……

1781年，英國有位著名的化學家叫普利斯特里，他很喜歡給朋友們表演化學魔術。每當有朋友到他的實驗室參觀時，他便會拿出一個空瓶子給大家表演：當他把瓶口移近蠟燭的火焰時，會發出“啪”的一聲巨響，同時瓶口吐出了長長的火舌，但立刻又熄滅了……原來，這位“魔術師”事先在瓶子里裝滿了無色的“可燃空氣”（氫氣）和空氣，將它們混合后點燃，便會發出巨大的聲響。

起初，普利斯特里并沒有發現變完魔術后，瓶子里總會出現一位神秘的“客人”。但終于有一天，普利斯特里注意到了燃燒后瓶內壁上出現的液珠！普利斯特里把他的發現告訴了卡文迪許，卡文迪許用不同比例的“可燃空氣”和空氣混合物進行實驗，證實了普利斯特里的發現，并斷定生成的液體是水。在氧元素被確認后，卡文迪許用純氧代替空氣，從而確認2體積的“可燃空氣”與1體積的氧氣恰好化合成水。但是由于受到當時錯誤觀念的束縛，他們仍然始終認為水是一種元素，沒有對水的組成做出正確的解釋。

直到1783年，卡文迪許的助手布拉格登訪問巴黎時，將這一實驗告訴了拉瓦錫。拉瓦錫重復了卡文迪許的實驗，并做了相反的實驗：讓水蒸氣通過一根燒紅的槍管，得到了“可燃空氣”。拉瓦錫實驗不但證明了水不是一種元素，同時還將水分解為氧氣和氫氣，再次確認了水的組成，使水的真面目第一次被揭開。

水是人們日常生活中最常見的物質，它的各種奇特的物理和化學性質與水分子之間的氫鍵的相互作用緊密相關。如何在分子水平上確定水的氫鍵網絡構型是水科學領域的關鍵問題之一。由于氫鍵的形成主要源于氫原子和氧原子之間的靜電作用力，要精確描述水的氫鍵構型，不僅需要判定氧原子的位置，還必須能識別氫原子的位置，也就是要在亞分子級水平上探測水分子在空間中的取向。然而，由于氫原子的質量和尺寸都非常小，對水分子進行亞分子級分辨成像極具挑戰性。

2014年1月，我國科學家共同解開了這一世界難題：北京大學研究人員在世界上首次拍到水分子的內部結構，并揭示了單個水分子和四分子水團簇的空間姿態。據北京大學譜學和高分辨率探測實驗室負責人介紹，水分子的直徑只有一根頭發絲的百萬分之一，而且流動性非常強，拍照的第一個難題就是給它選擇一個合適的背景。而要想用電子顯微鏡拍照，這個背景還得能導電才行。以前科學家用金屬作為襯底，曾經觀測到模糊的水分子外形，沒有任何的內部結構。這次我國科學家選取氯化鈉薄膜作為背景，將水分子吸附在鹽表面進行觀察，捕捉到了水分子更清晰的面貌。