最近寫了不少篇關于水的文章，基本上都是宏觀層面的，偶爾涉及到水的微觀結構也都是淺嘗輒止，有小伙伴表示：不過癮。我特意準備了這篇干貨滿滿的文章，讓我們一起來窺視分子尺度上，那些水的秘密，同時也是為了戳破“小分子水”、“富氫水”的謠言。
一、水分子的結構特征
眾所周知，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生相互作用時起到決定性的作用。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
在好多科普文章中介紹水分子的極性的時候，都是簡單介紹了由于氫氧鍵產生的極性，我也是如此，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。前兩者與外界環境有關，后者是水分子內部自由度，但如果受到環境的影響則會發生頻移。
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。
不論水以液態還是固態（冰）存在，這種四面體網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），水分子必須形成四面體網格結構，每個水分子都會占據一定的體積。
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、在分子尺度上認識水——謠言不攻自破
第一個要戳破的謠言就是——小分子水。這些年市場上出現了大量的小分子水的產品，宣傳其有種種神奇的功效。其實只要我們把前面的知識綜合起來，這個謠言就會不攻自破了。
如果我們把一瓶水看做一座大廈，那么水分子就是組建這個大廈的磚，而氫鍵就是粘合它們的水泥。結合水分子的空間四面體網狀結構，水可以形成很多種小分子特殊結構，比如從2個到六個水分子組成的結構。
前面提到過，氫鍵強度很高，這意味著，正常的水分子都會有一種要結合到一起的趨勢，就如同放在光滑斜面上的小球，你一松手，它就會滑向斜面的底部。所以正常的水，一定是處在低能態的。相當于大樓已經是蓋好的。
把建好的大樓重新變成磚有什么辦法呢？大家都知道——爆破。那么我們如何對水分子團進行“爆破”，讓它從大分子團結構變成小分子團結構的水呢？大家猜對了——加熱。只要不加熱，水溫恢復室溫，小分子團就會通過結合成大分子團釋放出能量，恢復到低能穩定平衡狀態。
所以，大家應該明白了，那些所謂的小分子水產品，其實——都是騙人的。
第二個要戳破的謠言就是——富氫水。這里不討論氫是不是能有什么療效，這里要討論的是水能富氫嗎？
前面我們說了，自由狀態的水分子呈現出近似空間四面體結構，水中本身就帶著兩個氫，余下還有兩對孤對電子伸展出去。這兩個孤對電子，具有吸收氫離子的能力。注意，我說的是吸收氫離子，而不是氫氣。
向水中通入加壓后的氫氣，確實能夠在一定程度上（很有限）增加氫在水中的溶解度。但我們注意，氫氣的分子結構為H2，不是氫離子，沒有電極性。這樣結構的分子，不能與水分子中剩余的孤對電子發生相互作用。換句話說，水不能通過孤對電子與氫氣結合，氫氣只能以分子形態，存在于水分子之間的空隙中。
同時，只要打開富氫水的瓶蓋，壓力消失的那一瞬間，本來多融入水中的氫氣會——噗——逃逸了。這是因為氫分子的質量很小，在熱運動中，通過與水分子的碰撞獲得很高的運動速度。手里的富氫水，瞬間變成了普通水……喝還是不喝？
結束語——科學無止境，水的奧秘還有很多
本文用大量的筆墨介紹了分子層面上水的一些特性，但這些仍然不是水的奧秘的全部，更深入的，我們水還要認識水的量子效應。之前，我曾經撰文介紹過，人體可以通過非飲用方式與環境中的水分子之間發生氫離子交換，就是這個原因。
限于篇幅，我把這部分內容留到其他文章里詳細介紹，并針對水的量子效應，對“量子水”騙局進行辟謠，敬請期待。如果您覺得本文對您有幫助，有啟發，歡迎您的點贊、評論、轉發和關注支持，期待與您的深度交流。
