近来写了不少篇关于水的文章，根本上都是宏观层面的，间或涉及到水的微观布局也都是浅尝辄止，有小同伴表现：不外瘾。我特地预备了这篇干货满满的文章，让我们一路来窥视分子标准上，那些水的隐秘，同时也是为了戳破“小分子水”、“富氢水”的谎言。

一、水分子的布局特性

众所周知，水是由氢氧两种元素构成，两个氢原子一个氧原子形成V字型布局。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牢固的值，会随着成键状态、温度、压强等身分在较大的范畴内改变。因为其V型的分子布局，使得水分子显得非常机动。

二、水分子V型布局的成因

水分子的这种V型布局是因为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，为了构成8个电子的满壳层布局，一个氧原子必要与两个氢原子通过核外电子sp杂化轨道联合，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产生相互作用时起到决定性的作用。以是一个水分子四周的电子漫衍是一个类似四面体布局，对应于sp3电子杂化。

说水分子是类似四面体的缘故原由是因为氢氧键与孤对电子的局域化中间长度纷歧样，分别为0.52×10^-10m和0.3×10^-10m。别的氢氧键之间的夹角104.52°与孤对电子轨道夹角114°都偏离了抱负四面体中的夹角109.5°。

三、水分子的极性

在很多多少科普文章中先容水分子的极性的时间，都是简洁先容了因为氢氧键孕育发生的极性，我也是云云，实在如许的先容是很粗糙的。水分子的极性不但是因为氢原子失去电子带正电，同时也因为孤对电子地区聚拢了多余的负电荷。水分子的团体电极矩是从氧端沿着两个氢氧键之间夹角的中分线穿到氢端。

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简单参加和别的极性分子大概离子的相互作用，这意味着，许多化学反响可以在水溶液中产生。

四、水分子的活动

因为水分子这种3个原子构成的V型布局，以是水分子有9个自由度：3个平动自由度，3个转动自由度，另有3个振动自由度。前两者与外界情况有关，后者是水分子内部自由度，但假如受到情况的影响则会产生频移。

这3个振动自由度为：氢氧键对称拉伸、氢氧键不合错误称拉伸和氢氧氢的剪切或弯曲活动。其振动频率分别为3657/cm、3756/cm、1595/cm，此中cm^-1是用波数做单元。

在能量空间中，水分子的电子轨道有5个能级：1a1、2a1、1b2、3a1、1b1，此中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淆。

假如在强成键轨道1b2上失去一个电子，则会导致水分子剖析为氢离子和氢氧根离子；3a1轨道是连结水分子V型布局的要害，假如这个轨道上失去一个电子，则水分子会酿成雷同二氧化碳那样的棒状布局。

五、水分子之间的氢键作用

氢键并不是水分子独占的，而是指氢与负电性很强的原子，好比氢与氧、硫、氮以共价键联合的时间，原子之间相互吸引孕育发生的作用。固然氢键的重要泉源是因为库仑力，但同时也有一小部门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便是指氢键的作用。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。两个水分子联合成二聚体的时间，OH—O键长约为2.976×10^-10m，键角靠近180°。

因为一个水分子只有两个孤对电子，以是它最多可以同时担当两个氢形成氢键，加上其自身拥有的两个氢形成氢键，以是一个水分子最多可以形成4个氢键，构成空间四面体布局。

岂论水以液态照旧固态（冰）存在，这种四面体网络布局都是其根本特性。

六、来自氢键的奇妙特性

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

同样，水结冰膨胀也是因为氢键造成的。这是由于我们前面说过的，一个水分子最多能构成4个氢键，其具有偏向性和饱和性，这使得水在结冰历程中，为了连结最强的氢键作用（能量最低状态），水分子一定形成四面体网格布局，每个水分子都市据有必然的体积。

当温度升高，冰开始溶化时，水分子这种位置束缚淘汰，反而使得液态水可以拥有更小的体积。正是由于这个缘故原由，当我们用压力压在冰面上时，冰可以开始液化。

七、在分子标准上了解水——谎言不攻自破

第一个要戳破的谎言便是——小分子水。这些年市场上显现了大量的小分子水的产物，宣传其有种种奇妙的成果。实在只要我们把前面的知识综合起来，这个谎言就会不攻自破了。

假如我们把一瓶水看做一座大厦，那么水分子便是组建这个大厦的砖，而氢键便是粘合它们的水泥。联合水分子的空间四面体网状布局，水可以形成许多种小分子特别布局，好比从2个到六个水分子构成的布局。

前面提到过，氢键强度很高，这意味着，正常的水分子都市有一种要联合到一路的趋向，就好像放在平滑斜面上的小球，你一放手，它就会滑向斜面的底部。以是正常的水，必然是处在低能态的。相称于大楼已经是盖好的。

把建好的大楼重新酿成砖有什么方法呢？家人们都知道——爆破。那么我们怎样对水分子团举行“爆破”，让它从大分子连合构酿成小分子连合构的水呢？家人们猜对了——加热。只要不加热，水温规复室温，小分子团就会通过联合成大分子团开释出能量，规复到低能稳健均衡状态。

以是，家人们应该明确了，那些所谓的小分子水产物，实在——都是哄人的。

第二个要戳破的谎言便是——富氢水。这里不商议氢是不是能有什么疗效，这里要商议的是水能富氢吗？

前面我们说了，自由状态的水分子出现出类似空间四面体布局，水中自己就带着两个氢，余下另有两对孤对电子舒展出去。这两个孤对电子，具有汲取氢离子的本领。细致，我说的是汲取氢离子，而不是氢气。

向水中通入加压后的氢气，的确可以或许在必然水平上（很有限）增添氢在水中的溶解度。但我们细致，氢气的分子布局为H2，不是氢离子，没有电极性。如许布局的分子，不克不及与水分子中剩余的孤对电子产生相互作用。换句话说，水不克不及通过孤对电子与氢气联合，氢气只能以分子形态，存在于水分子之间的清闲中。

同时，只要打开富氢水的瓶盖，压力消逝的那一刹时，原来多融入水中的氢气会——噗——逃逸了。这是由于氢分子的质量很小，在热活动中，通过与水分子的碰撞得到很高的活动速率。手里的富氢水，刹时酿成了一般水……喝照旧不喝？

完结语——科学无止境，水的神秘另有许多

本文用大量的翰墨先容了分子层面上水的一些特性，但这些仍旧不是水的神秘的全部，更深入的，我们水还要了解水的量子效应。之前，我曾经撰文先容过，人体可以通过非饮用方法与情况中的水分子之间产生氢离子互换，便是这个缘故原由。

限于篇幅，我把这部门内容留到其他文章里细致先容，并针对水的量子效应，对“量子水”骗局举行辟谣，敬请期望。假如您以为本文对您有关心，有开导，接待您的点赞、批评、转发和存眷支持，期望与您的深度交换。