探秘水的世界

河北省承德市營(yíng)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(yíng)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(wàn)物。之后在很長(zhǎng)一段時(shí)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(cuò)誤認(rèn)識(shí)才得以顛覆。那么，對(duì)于水的組成的認(rèn)識(shí)過(guò)程，又充滿(mǎn)著怎樣的傳奇色彩呢？故事要從兩百多年前說(shuō)起……

1781年，英國(guó)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(shí)驗(yàn)室參觀時(shí)，他便會(huì)拿出一個(gè)空瓶子給大家表演：當(dāng)他把瓶口移近蠟燭的火焰時(shí)，會(huì)發(fā)出“啪”的一聲巨響，同時(shí)瓶口吐出了長(zhǎng)長(zhǎng)的火舌，但立刻又熄滅了……原來(lái)，這位“魔術(shù)師”事先在瓶子里裝滿(mǎn)了無(wú)色的“可燃空氣”（氫氣）和空氣，將它們混合后點(diǎn)燃，便會(huì)發(fā)出巨大的聲響。

起初，普利斯特里并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變完魔術(shù)后，瓶子里總會(huì)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?jī)?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(shí)驗(yàn)，證實(shí)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(shí)錯(cuò)誤觀念的束縛，他們?nèi)匀皇冀K認(rèn)為水是一種元素，沒(méi)有對(duì)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(wèn)巴黎時(shí)，將這一實(shí)驗(yàn)告訴了拉瓦錫。拉瓦錫重復(fù)了卡文迪許的實(shí)驗(yàn)，并做了相反的實(shí)驗(yàn)：讓水蒸氣通過(guò)一根燒紅的槍管，得到了“可燃空氣”。拉瓦錫實(shí)驗(yàn)不但證明了水不是一種元素，同時(shí)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(kāi)。

水是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的物質(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(wèn)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(shí)別氫原子的位置，也就是要在亞分子級(jí)水平上探測(cè)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(duì)水分子進(jìn)行亞分子級(jí)分辨成像極具挑戰(zhàn)性。

2014年1月，我國(guó)科學(xué)家共同解開(kāi)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(gè)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(cè)實(shí)驗(yàn)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(wàn)分之一，而且流動(dòng)性非常強(qiáng)，拍照的第一個(gè)難題就是給它選擇一個(gè)合適的背景。而要想用電子顯微鏡拍照，這個(gè)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(cè)到模糊的水分子外形，沒(méi)有任何的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這次我國(guó)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。