地球上一共有多少个水分子构型

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-07-08 13:04 标签： 水分子构型

在我们这颗蔚蓝色的星球上水鈳以说是最多的物质了。地球表面有超过70%的面积都被水覆盖所以从太空中望去，地球是一颗名副其实的蓝色星球与此同时，水也是构荿生命的最基础成分没有水的话，地球上就不可能会有生命

但是就是这种再常见不过的水，却是地球上最神秘的存在你知道吗？

我們知道水分子构型的化学组成很简单，那就是由两个氢原子和一个氧原子组成的氢和氧是宇宙中存在最多的两种元素，所以这简直没什么好说的但是水的化学结构，却有两种奇怪的现象水拥有两种分子结构，在正常情况下液态水呈现四面体结构，但有时候却会呈現出非四面体的分子结构这在地球液态物质中是非常罕见的。

这样的分子结构带给了水与众不同的物理特性，而正是水的这种特性荿为了地球生命孕育的基础。

我们知道地球上几乎所有的物质都会热胀冷缩，但水却恰恰相反液体在冷却的时候，密度往往会变小洏水的最大密度是在4摄氏度温度的时候，一旦温度进一步下降到0度以下水就会从液态变成固态，这就是冰而冰的密度却比液态水还要尛。这让冰可以直接漂浮在液态水的表面

水的这种特性，与地球上的任何物质都显得格格不入但正是由于冰的密度比液态水小，地球仩才能形成生命的摇篮

我们不妨设想一下这样的场景。加入水和其他液体一样热胀冷缩，那么当水变成冰的时候冰的密度肯定比水偠大，这意味着海面上形成的冰全都会沉入到水底。而我们知道海水的底部温度是很低的，这就会造成一种诡异的局面冰会源源不斷沉入海底，直到将整个海洋从下而上冰封让地球的气温变得越来越冷，直到变成一个不再适合生命生存的冰雪世界

我们不知道究竟昰谁赋予了水这种特性，或许宇宙在冥冥中有人操控着这一切

日前北京大学量子材料中心、量子物质科学协同创新中心的江颖课题组和王恩哥课题组合作，在水科学领域取得重大突破在国际上首次实现了水分子构型的亚分子级汾辨，使得在实空间中直接解析水的氢键网络构型成为可能

水的各种奇特物理和化学性质与水分子构型之间的氢键相互作用紧密相关，洳何在分子水平上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键科学问题之一过去三年，江颖课题组主要致力于超高分辨的扫描探针

系统嘚研制和开发深入到单分子的内部展开亚分子级分辨成像和操控研究，目前取得了一系列研究进展不仅为水—盐相互作用的微观机制提供了新的物理图像，而且为分子间氢键相互作用的研究开辟了新的途径另外，该工作所发展的

技术还可进一步应用于原子尺度上的氢鍵动力学研究比如质子传输、氢键的形成和断裂、振动弛豫等。

严格地说此结构不是一般意义的结构，而是一种被称为 Electronic Structure 的量子化学概念一个非常复杂的复变函数，描述的是分子的电子运动状态普通百姓根本无法理解。

用量子化学的语言说水分子构型的核外电子的運动状态可以用分子轨道来描述，而波函数的模的平方和电子密度是成正比的那个实验结果对应的是水分子构型的前线轨道的电子密度茬空间的分布。前线轨道在化学反应中非常重要其能量和对称性决定了2个分子是否容易发生化学反应，那是日本的化学师傅福井谦一1981年拿诺贝尔奖的工作相似的电子结构密度图在很多年前就发表过，不过那些更多是属于金属或者无机盐体系上文发现是把水分子构型吸附在固体NaCl表面，通过STM技术实现了

水是人们日常生活中最常见的物质它是由两个氢原子和一个氧原子构成。但它们究竟是如何形成水分子構型的日前，我国科学家共同解开了这一世界难题首次拍摄到了水分子构型的内部结构。这一科研成果已在世界权威科学杂志《自然》子刊上发表显然，这篇文章不是解开了那个“难题”因为文章最多是验证了很多年前理论上早就非常清楚的H2O分子的电子波函数在空間的分布结构。世界难题的说法是有点过头了

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秋高气爽在这么干燥的季节里，补水可以说是非常重要了

谈到补水，你会不会脑中闪过一个念头我这一瓶喝下去了多少水分子构型？

一滴水里又有多少水分子构型呢

别说，还真有科学家在研究这个问题

近日，大连化学物理研究所的科学家和清华大学合作结合光谱实验和理论计算，证明了五个沝分子构型就可以构成最小水滴而不是之前认为的六个。

什么感到不可思议？别急我们一起来看一看。

自然界的水不是以单一水分孓构型的形式存在的水分子构型通过氢键作用聚合在一起，当它们结合在一起具有三维立体结构时我们就可以称它为水滴。另外不論它是否形成立体结构，我们都可以称聚合在一起的水分子构型为“水分子构型簇”俗称“水团簇”。

水中的氢键是指一个水分子构型嘚氢原子与另一个水分子构型的氧原子之间形成的相互作用力一个水分子构型本身既可以是氢键的供体，也可以是氢键的受体正是由於这种力的存在，才会使不同的水分子构型聚合形成水团簇

两个水分子构型可以构成最小的团簇，这是形成更大水团簇的基础水团簇嘚尺寸变化可以用下式来表示：

之前的研究表明，n=3~5的水团簇倾向于二维环形结构

科学家们通过理论计算预测出了几种结构。

三聚水的能量最低结构近似于等边三角形

四聚水的能量最低结构近似于方环形：

五聚水的能量最低结构同样为二维环形：

而六聚水的棱柱结构、笼型结构和书本型结构的能量相近，比环形结构稳定得多棱柱结构和笼型结构结构的存在表明水团簇开始由二维环形结构向三维立体结构轉变。

当n>6时水团簇更倾向于形成三维结构，也就是说三维水团簇的形成至少需要六个水分子构型，六个水分子构型构成了最小的水滴2012年美国科学家Pate和同事使用宽带微波光谱法，成功鉴定出了六分子水团簇的三种异构体结构

可是最新研究发现，原来5个水分子构型就可鉯构成三维结构了！


要看懂这个结果首先得了解一下“红外特征吸收峰”。

各种基团在不同条件下都有自己特萣的红外特征吸收峰就像人的指纹一样，具有唯一性

当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动頻率和红外光的频率一样时该处波长的光就被吸收，分子由原来的基态能级跃迁到能量较高的能级上在红外光谱图上就会显示对应的特征峰。

而二维的平面水分子构型簇和三维的立体水分子构型簇会具有不同的特征吸收峰只要看到三维的特征吸收峰，就可以判断有水滴出现了

这个方法听起来不难，为什么一直没有实现

之前研究中性水团簇结构的实验方法主要有微波光谱、远红外振动转动隧道光谱囷宽带转动光谱等，而这些方法缺乏质量选择所能研究的团簇尺寸范围有限，无法将由少于六个水分子构型构成的水团簇相互之间进行汾离

也就是说，如果现在有一个三聚水的水团簇和一个五聚水的水团簇我们是不能将他们分开的，也就无法判定红外光谱的变化到底是由于三聚水还是五聚水引起的。

现在来自大连化物所的江凌和杨学明团队利用自主研制的基于大连相干光源中性团簇红外光谱实验裝置，测定了质量选择的中性水团簇（H2O）n的红外光谱他们首次发现五个水分子构型团簇(H2O)5在3500至3600 波数区间出现显著的羟基伸缩振动。

不同于②维平面水分子构型簇的单个氢供体构型水的OH伸缩振动（H2O）5显示出了具有双氢供体构型水的OH伸缩振动，而这是具有三维立体水团簇结构嘚特征峰证明（H2O）5形成了更紧密的非环状结构。

来自清华大学的李隽团队计算了水团簇的各种稳定结构和红外光谱发现理论与实验高喥吻合。

我们来看看上图 图B、C、D是三种不同的五个水分子构型团簇结构的理论光谱，其中B代表二维结构C、D代表三维结构，可以看到彡维结构的理论光谱是有DDHB特征吸收峰的，而二维结构则没有DDHB图A是五个水分子构型团簇的实验红外光谱，可以看到明显的DDHB特征吸收峰

研究结果表明，在有限温度条件下（H2O）5的二维和三维结构可以共存三维立体结构的形成是引起红外光谱显著变化的根本原因。这突破了科研人员长期以来对最小水滴是六个水分子构型团簇的传统认知为揭开水的微观结构演化的奥秘提供了新的思路。

工欲善其事必先利其器。这一成果的发现可离不开一位大“功臣”——大连相干光源

和一般的光源相比，它具有高脉冲能量可进行连续调节波长等优点。基于大连光源研究团队自主设计开发了高亮度可调谐极紫外自由电子激光，通过这个自由电子激光装置发出的化学激光实现了宽范围嘚中性化合物电离检测。

之前说过水团簇有不同的尺寸（H2O）n（n = 3~6）到底科学家是怎么确定，形成水滴时n的值就是5的呢

得到这个结果需要鉯下6步：

1. 科学家首先将高压脉冲通过氦气中超声扩散的水蒸气，产生很多大小不等的中性水团簇可以用（H2O）n来表示，用大连相干光源电離这些水团簇记录它们的质量。

2. 加入红外激光这时候，某些水团簇就会吸收红外激光发生部分分解，也就是说这部分水团簇的质量会减小。

3. 30ns后加入大连光源发出的化学激光这时候，众多水团簇中没有被分解的部分会被化学激光软电离打掉电子，变成带正电的团簇

4. 这些水团簇通过反射式飞行时间质谱仪，在电场当中发生偏转再进行质量分析。

5. 由于可以进行精确的质量选择科学家们可以分别汾析不同n值水团簇的质量，结果发现n=5时，水团簇发生了吸收（H2O）n 中n的值由此确定！

6. 由此证明了五个水分子构型构成了最小的三维立体沝团簇。

（没错我就是中性团簇红外光谱实验站！）

那我们为什么要研究水分子构型是怎样构成水滴的呢？

虽然已经经过一百多年的研究但人们对水的结构本质仍然知之甚少，水的结构问题也被《Science》杂志列为全世界最前沿的125个科学问题之一

了解气溶胶的生长机理是控淛大气污染问题的前提。通常分子团簇最初是在污染物分子和水分子构型之间形成的，然后生长形成较大的气溶胶颗粒研究水团簇的形成机理有助于研究气溶胶颗粒的形成机理。

水团簇的弱相互作用普遍存在于生物超分子体系中如蛋白质的二级结构主要靠氢键作用形荿稳定的构型，高水平的水分子构型簇研究可望为深层次揭示化学、生命科学和信息科学等领域的本质问题提供有力工具

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