探秘水的世界

河北省承德市营子区教育局中学教研室 张学军

探秘水的世界

河北省承德市营子区教育局中学教研室 张学军

在古希腊，恩贝多克勒提出，宇宙间只存在火、气、水、土四种元素，并由它们组成世间万物。之后在很长一段时间内，水一直被人们认为是一种元素。直到18世纪末，这种错误认识才得以颠覆。那么，对于水的组成的认识过程，又充满着怎样的传奇色彩呢？故事要从两百多年前说起……

1781年，英国有位著名的化学家叫普利斯特里，他很喜欢给朋友们表演化学魔术。每当有朋友到他的实验室参观时，他便会拿出一个空瓶子给大家表演：当他把瓶口移近蜡烛的火焰时，会发出“啪”的一声巨响，同时瓶口吐出了长长的火舌，但立刻又熄灭了……原来，这位“魔术师”事先在瓶子里装满了无色的“可燃空气”（氢气）和空气，将它们混合后点燃，便会发出巨大的声响。

起初，普利斯特里并没有发现变完魔术后，瓶子里总会出现一位神秘的“客人”。但终于有一天，普利斯特里注意到了燃烧后瓶内壁上出现的液珠！普利斯特里把他的发现告诉了卡文迪许，卡文迪许用不同比例的“可燃空气”和空气混合物进行实验，证实了普利斯特里的发现，并断定生成的液体是水。在氧元素被确认后，卡文迪许用纯氧代替空气，从而确认2体积的“可燃空气”与1体积的氧气恰好化合成水。但是由于受到当时错误观念的束缚，他们仍然始终认为水是一种元素，没有对水的组成做出正确的解释。

直到1783年，卡文迪许的助手布拉格登访问巴黎时，将这一实验告诉了拉瓦锡。拉瓦锡重复了卡文迪许的实验，并做了相反的实验：让水蒸气通过一根烧红的枪管，得到了“可燃空气”。拉瓦锡实验不但证明了水不是一种元素，同时还将水分解为氧气和氢气，再次确认了水的组成，使水的真面目第一次被揭开。

水是人们日常生活中最常见的物质，它的各种奇特的物理和化学性质与水分子之间的氢键的相互作用紧密相关。如何在分子水平上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键问题之一。由于氢键的形成主要源于氢原子和氧原子之间的静电作用力，要精确描述水的氢键构型，不仅需要判定氧原子的位置，还必须能识别氢原子的位置，也就是要在亚分子级水平上探测水分子在空间中的取向。然而，由于氢原子的质量和尺寸都非常小，对水分子进行亚分子级分辨成像极具挑战性。

2014年1月，我国科学家共同解开了这一世界难题：北京大学研究人员在世界上首次拍到水分子的内部结构，并揭示了单个水分子和四分子水团簇的空间姿态。据北京大学谱学和高分辨率探测实验室负责人介绍，水分子的直径只有一根头发丝的百万分之一，而且流动性非常强，拍照的第一个难题就是给它选择一个合适的背景。而要想用电子显微镜拍照，这个背景还得能导电才行。以前科学家用金属作为衬底，曾经观测到模糊的水分子外形，没有任何的内部结构。这次我国科学家选取氯化钠薄膜作为背景，将水分子吸附在盐表面进行观察，捕捉到了水分子更清晰的面貌。