河北省承德市營子區(qū)教育局中學(xué)教研室 張學(xué)軍

探秘水的世界

河北省承德市營子區(qū)教育局中學(xué)教研室 張學(xué)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(nèi)，水一直被人們認(rèn)為是一種元素。直到18世紀(jì)末，這種錯誤認(rèn)識才得以顛覆。那么，對于水的組成的認(rèn)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(xué)家叫普利斯特里，他很喜歡給朋友們表演化學(xué)魔術(shù)。每當(dāng)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(dāng)他把瓶口移近蠟燭的火焰時，會發(fā)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(shù)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(fā)出巨大的聲響。

起初，普利斯特里并沒有發(fā)現(xiàn)變完魔術(shù)后，瓶子里總會出現(xiàn)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(nèi)壁上出現(xiàn)的液珠！普利斯特里把他的發(fā)現(xiàn)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(jìn)行實驗，證實了普利斯特里的發(fā)現(xiàn)，并斷定生成的液體是水。在氧元素被確認(rèn)后，卡文迪許用純氧代替空氣，從而確認(rèn)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(dāng)時錯誤觀念的束縛，他們?nèi)匀皇冀K認(rèn)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(fù)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(rèn)了水的組成，使水的真面目第一次被揭開。

水是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷奈镔|(zhì)，它的各種奇特的物理和化學(xué)性質(zhì)與水分子之間的氫鍵的相互作用緊密相關(guān)。如何在分子水平上確定水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型是水科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)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(gòu)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(zhì)量和尺寸都非常小，對水分子進(jìn)行亞分子級分辨成像極具挑戰(zhàn)性。

2014年1月，我國科學(xué)家共同解開了這一世界難題：北京大學(xué)研究人員在世界上首次拍到水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并揭示了單個水分子和四分子水團(tuán)簇的空間姿態(tài)。據(jù)北京大學(xué)譜學(xué)和高分辨率探測實驗室負(fù)責(zé)人介紹，水分子的直徑只有一根頭發(fā)絲的百萬分之一，而且流動性非常強(qiáng)，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(dǎo)電才行。以前科學(xué)家用金屬作為襯底，曾經(jīng)觀測到模糊的水分子外形，沒有任何的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這次我國科學(xué)家選取氯化鈉薄膜作為背景，將水分子吸附在鹽表面進(jìn)行觀察，捕捉到了水分子更清晰的面貌。