“活水”養(yǎng)魚：從“分子”角度去認識神奇的“水分子”

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水——地球上最豐富的物質之一，地球表面約70%都是水，人體約60%都是水，因此，水是每天我們都有很大概率接觸到的，盡管水很常見，但是它還有很多的謎團沒有解開，因為它的性狀不同于其它任何物質，水比我們想象的要奇怪得多。

一、水分子的結構特征

眾所周知的水是由氫氧兩種元素組成，兩個氫原子一個氧原子形成V字型結構。常溫常壓下，氣態(tài)自由水分子氫氧鍵的鍵長為0.9527×10^-10米，兩個氫氧鍵之間的夾角為104.52°。

水的鍵長和鍵角并不是一個固定的值，會隨著成鍵狀況、溫度、壓強等因素在較大的范圍內(nèi)變化。由于其V型的分子結構，使得水分子顯得非常靈活。

二、水分子V型結構的成因

水分子的這種V型結構是由于sp電子雜化造成的。一個氧原子最外層有2個2s電子和4個2p電子，而一個氫原子只有1個1s電子，為了組成8個電子的滿殼層結構，一個氧原子需要與兩個氫原子通過核外電子sp雜化軌道結合，形成2個氫氧鍵。

余下的兩對未成鍵的電子稱為孤電子對，它們在水分子與外界發(fā)生相互作用時起到?jīng)Q定性的作用。所以一個水分子周圍的電子分布是一個近似四面體結構，對應于sp3電子雜化。

說水分子是近似四面體的原因是由于氫氧鍵與孤對電子的局域化中心長度不一樣，分別為0.52×10^-10m和0.3×10^-10m。另外氫氧鍵之間的夾角104.52°與孤對電子軌道夾角114°都偏離了理想四面體中的夾角109.5°。

三、水分子的極性

在好人在介紹水分子的極性的時候，都是簡單介紹了由于氫氧鍵產(chǎn)生的極性，其實這樣的介紹是很粗糙的。水分子的極性不僅是由于氫原子失去電子帶正電，同時也由于孤對電子區(qū)域聚集了多余的負電荷。水分子的整體電極矩是從氧端沿著兩個氫氧鍵之間夾角的平分線穿到氫端。

單個水分子的電極矩為1.855D，而一氧化氮的電極矩只有0.1D。水分子這種很大的極性使得水非常容易參與和其它極性分子或者離子的相互作用，這意味著，很多化學反應可以在水溶液中發(fā)生。

四、水分子的運動

由于水分子這種3個原子組成的V型結構，所以水分子有9個自由度：3個平動自由度，3個轉動自由度，還有3個振動自由度。前兩者與外界環(huán)境有關，后者是水分子內(nèi)部自由度，但如果受到環(huán)境的影響則會發(fā)生頻移。

這3個振動自由度為：氫氧鍵對稱拉伸、氫氧鍵不對稱拉伸和氫氧氫的剪切或彎曲運動。其振動頻率分別為3657/cm、3756/cm、1595/cm，其中cm^-1是用波數(shù)做單位。

在能量空間中，水分子的電子軌道有5個能級：1a1、2a1、1b2、3a1、1b1，其中1b2為成鍵能級，1b1為孤對電子，2a1、3a1為成鍵和未成鍵軌道的混合。

如果在強成鍵軌道1b2上失去一個電子，則會導致水分子分解為氫離子和氫氧根離子；3a1軌道是保持水分子V型結構的關鍵，如果這個軌道上失去一個電子，則水分子會變成類似二氧化碳那樣的棒狀結構。

五、水分子之間的氫鍵作用

氫鍵并不是水分子獨有的，而是指氫與負電性很強的原子，比如氫與氧、硫、氮以共價鍵結合的時候，原子之間相互吸引產(chǎn)生的作用。雖然氫鍵的主要來源是由于庫侖力，但同時也有一小部分是來自誘導極化作用和分子間的色散力。

我們通常意義上說的水分子之間的相互作用就是指氫鍵的作用。它是由水分子中的氫與相鄰的水分子中氧的孤對電子相互吸引形成的。兩個水分子結合成二聚體的時候，OH—O鍵長約為2.976×10^-10m，鍵角接近180°。

由于一個水分子只有兩個孤對電子，所以它最多可以同時接受兩個氫形成氫鍵，加上其自身擁有的兩個氫形成氫鍵，所以一個水分子最多可以形成4個氫鍵，組成空間四面體結構。

不論水以液態(tài)還是固態(tài)（冰）存在，這種四面體網(wǎng)絡結構都是其基本特征。

六、來自氫鍵的神奇特性

氫鍵的強度很高，大約為23千焦每摩爾。這導致水的熔點、沸點極高，熱容量極大。如果沒有氫鍵，則相對分子量為18的水在零下75攝氏度就會汽化。

同樣，水結冰膨脹也是由于氫鍵造成的。這是因為我們前面說過的，一個水分子最多能組成4個氫鍵，其具有方向性和飽和性，這使得水在結冰過程中，為了保持最強的氫鍵作用（能量最低狀態(tài)），水分子必須形成四面體網(wǎng)格結構，每個水分子都會占據(jù)一定的體積。

當溫度升高，冰開始融化時，水分子這種位置約束減少，反而使得液態(tài)水可以擁有更小的體積。正是因為這個原因，當我們用壓力壓在冰面上時，冰可以開始液化。

七、不合正規(guī)定義的化學鍵---氫鍵

氫鍵涉及已與氧、氮或氟等原子形成共價鍵的氫原子。由于這些元素的原子傾向于獨占那對共享電子，使氫帶有輕微的正電荷，因此氫又可以吸引其他負極性的分子（這類分子雖然總電荷為零，但由于電荷分布不均勻，導致略微帶負電）。分子通過氫的媒介結合在一起，所以叫“氫鍵”。但氫鍵通常比共價鍵、離子鍵要弱得多，而且也不是靠共享或轉移電子而形成的，所以又不是嚴格意義上的化學鍵。

氫鍵的存在很普遍。水（H2O）在常溫是液體而非氣體，靠的是水分子之間的氫鍵；氨基酸的一條條分子鏈通過氫鍵形成復雜形狀的蛋白；DNA雙螺旋結構上的一對對堿基，通過氫鍵形成堿基對……

然而，人們?nèi)匀徊煌耆宄滏I是什么。作為氫鍵的一個簡單模型，雙氟化物離子（HF2-）通常被認為是一個共價鍵的氟化氫（HF）分子，通過氫鍵結合一個氟離子形成的，假如用-代表共價鍵，…代表氫鍵，其結構式即為F-H…F。但科學家后來發(fā)現(xiàn)，當雙氟化物離子在水中振動時，其結構在F-H…F和F…H…F之間不斷變化。換句話說，其中一個鍵總是在共價鍵和氫鍵之間切換。在這里，氫鍵和共價鍵的區(qū)別開始模糊了。

鍵通常不是剛性的，而是可以彎曲、拉伸和振動的。這表明，要確定一個鍵的存在，我們需要評估的不僅僅是原子是否粘在一起，還要看粘連了多長時間。一個典型例子是超臨界水：水被加熱到超過其臨界點（在218個大氣壓，水的沸點是374℃），在那里不再有液態(tài)和氣態(tài)之分。人們一直在爭論這種時候是否還有氫鍵存在。最近有位德國化學家對此做了模擬。結果顯示，超臨界水中的氫鍵斷裂得非?？?。在這種情況下，是否還有資格成為氫鍵，只能各說各話了。

更好地了解超臨界水中的氫鍵對化學工業(yè)有很大的幫助。超臨界水可以溶解普通水不能溶解的東西，它是有毒的有機溶劑（如苯或甲苯）的環(huán)保替代品。

八、21個水分子組成一滴水

一滴水被不斷拆分，終點將是一個水分子。那么，一個水分子能算是一滴水么？如果不算，那最少要多少個水分子才可稱為一滴水？

水所具有的溶解能力、比熱容、粘度等，都不是單個水分子帶來的特性，而是眾多水分子聚集而成的“一滴水”才具有的。那么，最少需要多少個水分子才能被視為一滴水呢？在一滴水中隨機挑選一個水分子，在其周圍不斷增加水分子，并利用光譜學來觀察其振動變化。當它的分子光譜與宏觀上水滴光譜一致時，就可以被定義為最小的一滴水。

米蘭理工大學的化學家在對比光譜學計算與實驗測得的光譜后發(fā)現(xiàn)，21個水分子組成的分子團，與宏觀的一滴水的光譜基本吻合。也就是說，最少需要21個水分子才可以組成一滴水。

九、冰雖是水分子固體仍就能浮在水面之上

在水里，密度小于水的物體就會漂浮在水面上，而固體的密度往往大于水，理應沉入水里，但是冰塊為什么就能浮在水面上，而且它的分子還跟水一樣？這是因為水結冰后，體積會變大，根據(jù)密度等于質量除以體積的公式，在質量不變的情況下，變成冰的水的密度就會變小，因此冰就浮在水面上了。

那么，冰的體積為什么會變大？這是因為隨著水冷卻，它開始形成晶格結構，分子將會相互緊密堆積在一起，形成一個整潔、有序的重復圖案。但是，相同的電荷分子會相互排斥，晶格會略微大一些，冰的體積也就隨之稍微膨脹了。

十、養(yǎng)魚"活水"的科學內(nèi)涵

從物理學角度看，所謂“活水”是指具有生命活力的水；同時，水體透明度或由大到小，又由小到大而不斷變化；另外，還是水體顏色或由淺到深，又由深到淺，而處于變動之中。

從化學角度看，所謂“活水”是化學反應以及水分子持續(xù)進行著的水體。即水中溶解有多種化學物質，并持續(xù)維持著化學反應過程。

從生物學角度看，所謂“活水”是能夠維持多種微生物及其它水生生物生存并持續(xù)進行新陳代謝的水體。水中絕大多數(shù)生物生存的基本條件是保障水體中有足夠的溶氧及其生命活動所必需的“食物”(養(yǎng)分)，并持續(xù)保障供給。

“活水”是物理、化學、生物的復合交叉作用的過程。物理狀態(tài)的顏色和透明度變化是水體化學和生物學過程的外在表現(xiàn)，其實質是水中化學反應過程中化學物質組成與濃度及其分子結構上的變化，以及有益菌和浮游生物等生物品種構成、消長、沉浮和密度的變化。

同時，“活水”不斷產(chǎn)出新的生物質，其中的浮游植物及其它水生植物利用太陽光光能合成有機物而放出氧氣；其中的有益菌分解有機物利用化學能(生物能)，轉化為無機物，消耗氧氣。前者為水產(chǎn)動物提供食物和氧氣，后者為水產(chǎn)動物處理排泄物和廢棄物。

“活水”中多樣性生物的綜合作用，不斷進行著化合與分解，產(chǎn)能與耗能或貯能，耗氧與增氧等理化反應，實現(xiàn)著水域生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量轉換，使水域生態(tài)系統(tǒng)維持著動態(tài)的穩(wěn)定。

通俗的講，"朝紅夜綠"、上午水色淡，下午水色濃，等等，處于變化之中的水質，這些從理論上說，就是"活水"的外在表現(xiàn)。

(西南漁業(yè)網(wǎng) 綜合編輯)

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