“活水”养鱼：从“分子”角度去认识神奇的“水分子”

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水——地球上最丰富的物质之一，地球表面约70%都是水，人体约60%都是水，因此，水是每天我们都有很大概率接触到的，尽管水很常见，但是它还有很多的谜团没有解开，因为它的性状不同于其它任何物质，水比我们想象的要奇怪得多。

一、水分子的结构特征

众所周知的水是由氢氧两种元素组成，两个氢原子一个氧原子形成V字型结构。常温常压下，气态自由水分子氢氧键的键长为0.9527×10^-10米，两个氢氧键之间的夹角为104.52°。

水的键长和键角并不是一个固定的值，会随着成键状况、温度、压强等因素在较大的范围内变化。由于其V型的分子结构，使得水分子显得非常灵活。

二、水分子V型结构的成因

水分子的这种V型结构是由于sp电子杂化造成的。一个氧原子最外层有2个2s电子和4个2p电子，而一个氢原子只有1个1s电子，为了组成8个电子的满壳层结构，一个氧原子需要与两个氢原子通过核外电子sp杂化轨道结合，形成2个氢氧键。

余下的两对未成键的电子称为孤电子对，它们在水分子与外界发生相互作用时起到决定性的作用。所以一个水分子周围的电子分布是一个近似四面体结构，对应于sp3电子杂化。

说水分子是近似四面体的原因是由于氢氧键与孤对电子的局域化中心长度不一样，分别为0.52×10^-10m和0.3×10^-10m。另外氢氧键之间的夹角104.52°与孤对电子轨道夹角114°都偏离了理想四面体中的夹角109.5°。

三、水分子的极性

在好人在介绍水分子的极性的时候，都是简单介绍了由于氢氧键产生的极性，其实这样的介绍是很粗糙的。水分子的极性不仅是由于氢原子失去电子带正电，同时也由于孤对电子区域聚集了多余的负电荷。水分子的整体电极矩是从氧端沿着两个氢氧键之间夹角的平分线穿到氢端。

单个水分子的电极矩为1.855D，而一氧化氮的电极矩只有0.1D。水分子这种很大的极性使得水非常容易参与和其它极性分子或者离子的相互作用，这意味着，很多化学反应可以在水溶液中发生。

四、水分子的运动

由于水分子这种3个原子组成的V型结构，所以水分子有9个自由度：3个平动自由度，3个转动自由度，还有3个振动自由度。前两者与外界环境有关，后者是水分子内部自由度，但如果受到环境的影响则会发生频移。

这3个振动自由度为：氢氧键对称拉伸、氢氧键不对称拉伸和氢氧氢的剪切或弯曲运动。其振动频率分别为3657/cm、3756/cm、1595/cm，其中cm^-1是用波数做单位。

在能量空间中，水分子的电子轨道有5个能级：1a1、2a1、1b2、3a1、1b1，其中1b2为成键能级，1b1为孤对电子，2a1、3a1为成键和未成键轨道的混合。

如果在强成键轨道1b2上失去一个电子，则会导致水分子分解为氢离子和氢氧根离子；3a1轨道是保持水分子V型结构的关键，如果这个轨道上失去一个电子，则水分子会变成类似二氧化碳那样的棒状结构。

五、水分子之间的氢键作用

氢键并不是水分子独有的，而是指氢与负电性很强的原子，比如氢与氧、硫、氮以共价键结合的时候，原子之间相互吸引产生的作用。虽然氢键的主要来源是由于库仑力，但同时也有一小部分是来自诱导极化作用和分子间的色散力。

我们通常意义上说的水分子之间的相互作用就是指氢键的作用。它是由水分子中的氢与相邻的水分子中氧的孤对电子相互吸引形成的。两个水分子结合成二聚体的时候，OH—O键长约为2.976×10^-10m，键角接近180°。

由于一个水分子只有两个孤对电子，所以它最多可以同时接受两个氢形成氢键，加上其自身拥有的两个氢形成氢键，所以一个水分子最多可以形成4个氢键，组成空间四面体结构。

不论水以液态还是固态（冰）存在，这种四面体网络结构都是其基本特征。

六、来自氢键的神奇特性

氢键的强度很高，大约为23千焦每摩尔。这导致水的熔点、沸点极高，热容量极大。如果没有氢键，则相对分子量为18的水在零下75摄氏度就会汽化。

同样，水结冰膨胀也是由于氢键造成的。这是因为我们前面说过的，一个水分子最多能组成4个氢键，其具有方向性和饱和性，这使得水在结冰过程中，为了保持最强的氢键作用（能量最低状态），水分子必须形成四面体网格结构，每个水分子都会占据一定的体积。

当温度升高，冰开始融化时，水分子这种位置约束减少，反而使得液态水可以拥有更小的体积。正是因为这个原因，当我们用压力压在冰面上时，冰可以开始液化。

七、不合正规定义的化学键---氢键

氢键涉及已与氧、氮或氟等原子形成共价键的氢原子。由于这些元素的原子倾向于独占那对共享电子，使氢带有轻微的正电荷，因此氢又可以吸引其他负极性的分子（这类分子虽然总电荷为零，但由于电荷分布不均匀，导致略微带负电）。分子通过氢的媒介结合在一起，所以叫“氢键”。但氢键通常比共价键、离子键要弱得多，而且也不是靠共享或转移电子而形成的，所以又不是严格意义上的化学键。

氢键的存在很普遍。水（H2O）在常温是液体而非气体，靠的是水分子之间的氢键；氨基酸的一条条分子链通过氢键形成复杂形状的蛋白；DNA双螺旋结构上的一对对碱基，通过氢键形成碱基对……

然而，人们仍然不完全清楚氢键是什么。作为氢键的一个简单模型，双氟化物离子（HF2-）通常被认为是一个共价键的氟化氢（HF）分子，通过氢键结合一个氟离子形成的，假如用-代表共价键，…代表氢键，其结构式即为F-H…F。但科学家后来发现，当双氟化物离子在水中振动时，其结构在F-H…F和F…H…F之间不断变化。换句话说，其中一个键总是在共价键和氢键之间切换。在这里，氢键和共价键的区别开始模糊了。

键通常不是刚性的，而是可以弯曲、拉伸和振动的。这表明，要确定一个键的存在，我们需要评估的不仅仅是原子是否粘在一起，还要看粘连了多长时间。一个典型例子是超临界水：水被加热到超过其临界点（在218个大气压，水的沸点是374℃），在那里不再有液态和气态之分。人们一直在争论这种时候是否还有氢键存在。最近有位德国化学家对此做了模拟。结果显示，超临界水中的氢键断裂得非常快。在这种情况下，是否还有资格成为氢键，只能各说各话了。

更好地了解超临界水中的氢键对化学工业有很大的帮助。超临界水可以溶解普通水不能溶解的东西，它是有毒的有机溶剂（如苯或甲苯）的环保替代品。

八、21个水分子组成一滴水

一滴水被不断拆分，终点将是一个水分子。那么，一个水分子能算是一滴水么？如果不算，那最少要多少个水分子才可称为一滴水？

水所具有的溶解能力、比热容、粘度等，都不是单个水分子带来的特性，而是众多水分子聚集而成的“一滴水”才具有的。那么，最少需要多少个水分子才能被视为一滴水呢？在一滴水中随机挑选一个水分子，在其周围不断增加水分子，并利用光谱学来观察其振动变化。当它的分子光谱与宏观上水滴光谱一致时，就可以被定义为最小的一滴水。

米兰理工大学的化学家在对比光谱学计算与实验测得的光谱后发现，21个水分子组成的分子团，与宏观的一滴水的光谱基本吻合。也就是说，最少需要21个水分子才可以组成一滴水。

九、冰虽是水分子固体仍就能浮在水面之上

在水里，密度小于水的物体就会漂浮在水面上，而固体的密度往往大于水，理应沉入水里，但是冰块为什么就能浮在水面上，而且它的分子还跟水一样？这是因为水结冰后，体积会变大，根据密度等于质量除以体积的公式，在质量不变的情况下，变成冰的水的密度就会变小，因此冰就浮在水面上了。

那么，冰的体积为什么会变大？这是因为随着水冷却，它开始形成晶格结构，分子将会相互紧密堆积在一起，形成一个整洁、有序的重复图案。但是，相同的电荷分子会相互排斥，晶格会略微大一些，冰的体积也就随之稍微膨胀了。

十、养鱼"活水"的科学内涵

从物理学角度看，所谓“活水”是指具有生命活力的水；同时，水体透明度或由大到小，又由小到大而不断变化；另外，还是水体颜色或由浅到深，又由深到浅，而处于变动之中。

从化学角度看，所谓“活水”是化学反应以及水分子持续进行着的水体。即水中溶解有多种化学物质，并持续维持着化学反应过程。

从生物学角度看，所谓“活水”是能够维持多种微生物及其它水生生物生存并持续进行新陈代谢的水体。水中绝大多数生物生存的基本条件是保障水体中有足够的溶氧及其生命活动所必需的“食物”(养分)，并持续保障供给。

“活水”是物理、化学、生物的复合交叉作用的过程。物理状态的颜色和透明度变化是水体化学和生物学过程的外在表现，其实质是水中化学反应过程中化学物质组成与浓度及其分子结构上的变化，以及有益菌和浮游生物等生物品种构成、消长、沉浮和密度的变化。

同时，“活水”不断产出新的生物质，其中的浮游植物及其它水生植物利用太阳光光能合成有机物而放出氧气；其中的有益菌分解有机物利用化学能(生物能)，转化为无机物，消耗氧气。前者为水产动物提供食物和氧气，后者为水产动物处理排泄物和废弃物。

“活水”中多样性生物的综合作用，不断进行着化合与分解，产能与耗能或贮能，耗氧与增氧等理化反应，实现着水域生态系统物质循环和能量转换，使水域生态系统维持着动态的稳定。

通俗的讲，"朝红夜绿"、上午水色淡，下午水色浓，等等，处于变化之中的水质，这些从理论上说，就是"活水"的外在表现。

(西南渔业网 综合编辑)

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