水是人类赖以生存的生命之源，正常人们对于水的认识是常温下，无色无味、可以流动的液体。其实，水在不同状态下由于结构不同会有很多特殊性质，本文从多个角度去了解不一样的水分子。
关键词 生命之源 水 特殊性质 空间结构
1. 引言 水，又称为“生命之源”。可以说地球上的所有生命都要依赖于水而生存。地球上70%的面积都被水所覆盖。虽然这些水中的97%都为海水，只有3%的水为淡水资源可供人类利用，但是这样的条件足以使地球成为人类生活的摇篮。正是有可以利用的淡水资源这一自然条件，使人类不断进化、繁衍和生存至今。 我们每一个人从一个受精卵开始就离不开水，受精卵需要在水的作用下，粘合到子宫内壁上，在胚胎发育过程中更是需要母亲的血水为营养。到我们现在生活的每一天都需要水来维持我们的生命，以及保证我们的正常生活。
可是，每个人真的了解水吗？答案是否定的。直到现在，“水”依然是前沿领域科学家研究的一个重点课题。即使是对于科学家来说，还有很多关于水的未解之谜需要去研究和发现，更何况是每一个人。本文从科学的角度进一步走近水的世界，让更多的人了解“生命之源”的一些奇妙现象。
2. 水的结构 水的分子式H2O是初中课本中的知识，它是由两个氢原子分别与中间的一个氧原子以共价键的形式形成的角型结构（H-O-H键角为104.5o），H-O键长约为0.96 Å。如此简单的结构，在自然环境中主要是以固、液、气三种状态呈现在大众眼前。
事实上，状态的不同，会导致其结构的不同。水在以冰的形式存在时，是一个水分子与另外四个水分子以氢键的形式形成的变形四面体结构，使得水结冰时会形成很多空穴，导致其密度减小，体积增大；当水以液态水的形式存在时，水分子以二聚体或三聚体的形式存在；而气态水蒸气中水分子，由于水分子之间的间隔变大，是以单一的水分子形式分散在空气中（图1）。
图1. 水的分子结构
3. 水的特殊性质 正是水的这种特殊结构决定水有很多的特殊性质，曾有文献报道，水有70多种反常现象[1]。其中很多现象都可以通过这种氢键结构来解释。例如，水的熔沸点相比于一般的溶剂较高，正是因为在冰融化以及水汽化的过程中需要能量破坏氢键结构。 水的比热容非常大跟氢键结构也有很大关系。
虽然不是唯一因素。一般都知道，水在4℃时有一个突变点，4℃时水的密度最大，体积最小。相关的反常现象被称为“水的反常膨胀”，一般的物质会随着温度的升高体积变大，但水的体积在4℃ 之前会随着温度的升高而减小，4℃ 之后才会随着温度的升高而增大。
这种反常现象可以用氢键结构完美地解释。水在0~3.98℃（准确突变温度）时，除了以单个水分子存在的形式外，多数水分子还会以三聚体(H2O)3的形式存在，当温度升高到3.98℃ 以上时，三聚体(H2O)3中的部分氢键会被破坏，变成二聚体(H2O)2。此过程中，二聚体水分子不断变多，密度增大，体积反而减小，而3.98℃ 以上温度时，主要一直以(H2O)2 的形式存在，所以符合热胀冷缩原理。
生活中我们常见的“泼水成冰”现象相信都不陌生，在东北寒冷的冬天，将一杯热水泼洒到空气中可以瞬间结冰，形成壮观的景象（图2）。这个实验往往用沸水更容易成功，因此有人认为热水比冷水结冰快，这是“姆潘巴效应”的一种表现形式。 这真的是“姆潘巴效应”吗？所谓“姆潘巴效应”是指在相同质量和相同冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰。这是1963年一位名叫伊拉斯托·姆潘巴的学生发现了热的冰淇淋混合比冷的冰淇淋混合冻结得更快。
后来人们将这种现象被称为“姆潘巴效应”[2]。 其实，严格说“泼水成冰”并不属于“姆潘巴效应”，因为“姆潘巴效应”是说温度略高的液体与温度略低的液体相比较，“泼水成冰”是用沸水和正常20℃左右的水进行比较。图2中的现象大部分都是热水形成的水蒸气凝华成小冰晶，该过程是水凝固和水蒸气凝华的共同过程。根本原理是过冷水的原理，即纯净的水在0℃以下还没有结冰，但是此时体系很不稳定，一旦有晶种加入瞬间结冰。就像我们平时生活中任何事情都要都一个人作为领队人去进行，物质结晶过程就需要这样一个领头晶核的形成。而对于“姆潘巴效应”的原理现在科学界并不统一，各抒己见，虽然很多科学家认为氢键贡献很大，但是也不能说服所有人。
图2. 泼水成冰现象图（摘自百度图片）
4. 水的发光行为 生活当中水是一种无色无味的液体。但是1930年，Ewles教授就曾经提出界面水发光的可能性[3]。由于当时科学技术手段的限制，并没有事实证明这一猜想。那么水分子真的可以发出五颜六色的光吗？
直到2021年，华东师范大学张坤研究员为我们提供了直接证据[4]：当水分子被捕获到沸石的纳米空间中时，水分子可以表现出从蓝色到红色不同强度的发光。当水分子被限制在纳米级的界面中时，可以检测到荧光量子效率（荧光量子效率是衡量一个荧光物质发光性能是否优异的重要指标，一般荧光量子效率越高，发光性能越好）。其原理是水分子中氧原子的p轨道在空间内的重叠。这一新的发现可以说为人类提供了一个全新的视角来理解水分子。
图3. 界面水发光原理示意图（摘自文献[3]）
5. 结论
“结构决定性质，性质决定功能”是化学工作者常用的一句话。通过了解水的一些特殊性质也能够看出水分子之所以有这样复杂的性质，很多依赖于其空间结构。水分子可以说是一种神奇的物质，2005年曾被选为全球最前沿的125个最具挑战的研究课题之一，可以说有太多的奥秘等待着人类去发现。本文从不同的角度让人们更多地了解“生命之源”，走进不一样的水世界。，