地球上的异类——水

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世上的物质数也数不清，而在各种各样的物质中，水绝对称得上是异类，比如最常见的现象就是，水的固体形式冰会浮在水面上，我们对此已经习以为常，但事实上，固体可以浮在液体上的物质是屈指可数的。那么水究竟为何就这么古怪呢？答案正在于氢键。那么这个神奇的氢键究竟是如何形成的呢？这就要往祖坟上刨了，也就是水分子。

浮在水面上的冰山

在水分子中，氧原子与氢原子的键弯折成104.5°，1个水分子是由1个氧原子与2个氢原子结合而成的，在弯折成104.5°的时候，水分子的电子轨道处于最稳定的状态。所以说，这个水分子看起来就和熊猫脑袋差不多，也可以说比较像米奇，总之很可爱，就像2049的女粉丝一样可爱。

水分子

水分子不仅在形状上很有个性，其在电性上也有特点。2个原子通过共用电子的方式结合时，也就是形成共价键时，它们分别吸引共用电子的强度被称为“电负性”，电负性越大的原子，其吸引共用电子的能力就越强。在水分子中，氧原子与氢原子就是通过共用电子相结合，氧原子的电负性为3.44，而氢原子的电负性是2.20，由于氧原子的电负性更大，所以氧原子与氢原子的共用电子会更加接近氧原子。于是，水分子中对共用电子吸引力更强的氧原子就会略微带负电，而离电子更远的氢原子则略微带正电。

以上就是氢键形成的基础条件。在这样的条件下，2个水分子接近的话，其中一个水分子带正电的氢原子，就会与另一个水分子中带负电的氧原子通过电磁力相互吸引并结合，这便是水分子之间的氢键。那么为什么氢键会把水变成异常物质呢？总的来看，原因大致有两方面。第一个原因是，氢键使得水分子之间强有力地结合在一起。第二个原因在于，氢键使得1个水分子可以最多与4个水分子相结合，而这4个水分子恰好位于正四面体的顶点处。

氢键

具体来看，在大量水分子聚集而成的水中，1个水分子平均与3.6个水分子形成氢键，水中的分子是不断运动的，所以在位置改变后，临近的水分子间就会重新形成氢键，而远离了的水分子之间的氢键就会断开。此外，水中的水分子除了与其他水分子间通过氢键相结合，也有水分子飞向空中变成水蒸气，所以根本上，水的蒸发，就是水面附近由于与其他水分子碰撞而拥有较大速度的水分子切断了与其他水分子间的氢键从而飞到空中的现象。

看完了液体的水，我们再来看看固态的冰。在标准大气压下，水降温到0℃就会冻结为冰，冰其实就是排列整齐规则的水结晶。在冰中，1个水分子通过氢键与其他4个水分子相结合，这4个水分子就恰好位于正四面体的顶点位置。进一步的，多个水分子构成的正四面体相互连接，就形成了正六边形的筒状洞穴，这就是冰的结构，在这样的状态下，冰中的水分子之间，相对于水中的水分子来说，间隙就更大，体积膨胀密度就降低了，所以冰才可以浮在水上。可见，冰可以浮在水上这种异常性质出现的根本原因，正在于与1个水分子形成氢键的另外4个水分子，恰好位于正四面体的顶点位置。

冰的分子结构

当然了，水的异常性质，并非只有这一项。比如说有这样几种物质的分子形状与水分子很相似，像是硫化氢、硒化氢以及碲化氢，硫化氢的熔点是-85.5℃，沸点是-60.4℃，硒化氢的这两个温度分别是-65.73℃和-41.3℃，而碲化氢则是-49℃和-2℃。可见虽然形状相似，但水的熔点与沸点显然要比这些物质高得多。其原因还在于氢键，水分子之间通过牢固的氢键相结合，而其他那3种物质的分子之间，仅仅依靠极性分子间的吸引力和范德华力相连接，而这两种力都要比氢键弱得多。冰融化成水和水沸腾蒸发为水蒸气时，水分子都会切断氢键，变得可以自由活动，正是由于氢键的这种强力，所以水的熔点与沸点都要比其他类似的物质高得多。

除了以上这些异常之外，科学家曾列举出了水的40多个异常性质，其中大部分的异常都在于氢键。比如说水的表面张力很大，所谓的表面张力是指液体使表面积减小的力，由于氢键的牢固性，水的表面张力自然很大，也正是由于这一性质，即便树木很是高大，它也可以将根部的水吸收到上端。还比如说水的导热系数大，导热系数是指物质传导热量的难易程度，导热系数越大传热效果越好，水中的水分子通过氢键牢固地结合在一起，所以导热系数较大，机动车的发动机主要靠水冷来散热，就是因为水的导热系数大。最后，水的比热容很大，比热容是指1克物质温度上升1℃所需的能量，水既难以升温，也难以降温，就是因为它的比热容很大，科学家目前认为，其原因也在于氢键，不过实际是否如此还没有定论。

总之，水就是这样普遍与神奇，至少与我们这个节目相比，水一点也不水。