曹则贤 （中科院物理研究所研究员）

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　　独特的水

　　我们的家园，地球，是一颗独特的星球（我倾向于相信它是唯一的），直播，其独特的地方在于有水（图1）。地球表面约有70%的面积被水覆盖，假设均匀全覆盖的话，水深约为 2.7 km。此外，地球气圈中的水蒸气，若当作液态水且按均匀全覆盖计算，也厚达 5 cm。水让地球灵动起来，还真产生了生命。其实，愚以为在有了原生物、细胞、病毒和动植物这类所谓的生命之前，因为水带动了地球表面上各种物质的流动，地球已经可算是活的、有生命的（living，animate）了——生命在于流动。水让地球上出现了生命奇迹，是因为地球绕太阳的轨道竟然是一个半径合适的近似圆形，这使得在地球所拥有的 p —T（压力-温度）范围内，水的气液固三态都可以出现，直播，且可以在一个很小的地方同时存在（图2）——水的三相点落在地球能维持的 p —T 参数空间内！

　　图1. 和我们的邻居以及已知的任何远方的星球相比，地球因为有水而独特

图2. 地球拥有的p —T 参数范围使得水的气液固三相可以在一地同时出现

　　生命来自于水、依赖水，因此各种生命都发展出了令人惊奇的利用水的策略。生命依赖于水的一个关键性质，即水几乎是一种万能溶剂，各种物质都多少会溶解于水，这样水就给生命带来了其所必需的各种物质，尤其是那些微量的物质（图3）。其实，这个问题应该反过来看，是原初时期水中物质的构成决定了生命的物质构成。生命占据了地球的各个角落，在没有水的地方，动植物会发展出令人叫绝的收集和储存水的本领（图4）。

图3. 弹涂鱼的生活环境告诉我们没必要喝纯净水

　　图4. 储满水的猴面包树和会收集水的沙漠甲虫

　　人类对水充满了好奇，想知道它是什么样的物质，直到有一天化学家发现氢气和氧气一起燃烧得到的就是水。水分子为 H2O，是三原子分子，两个氢氧键的键长 ~ 0.96 Å，夹角约为 104.45°，很简单、很无辜的样子（图5）。然而，这种分子的简单是一种极具欺骗性的简单，由其构成的水的性质之奇异与复杂却让科学家头疼不已。在聚集体中，水分子会和多达 4 个其它水分子通过氢键相结合（图5），水分子会形成大小不同的团簇（图6），且这些团簇是动态的，在皮秒（1 ps=10 -12 s）量级的时间尺度上不断地分裂、重组。水分子中 H—O 键的键长和键角，以及分子间氢键的键长与取向，都可以在较大的范围内灵活地调节。因此，也就容易理解为什么水有复杂多样的结构了。

　　图5. 水分子与水分子间的氢键

图6. 几种水分子团簇的构型

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　　水的反常性质

　　与其它物质相比，水有太多的“反常”性质，有网站甚至列举了70 余种水的反常性质[1] 。为了给读者一点感觉，此处将部分有趣的反常性质列出，这包括：

　　(1) 水密度随温度升高（直至～4 ℃）；

　　(2) 水的表面比体内致密；

　　(3) 冰的热导率随压力减小；

　　(4) 水的熔点、沸点和临界点都反常地高；

　　(5) 固体水有大量的稳定晶相；

　　(6) 过冷水有两相，在－91 ℃ 有第二临界点；

　　(7) 液态水可在很低温度下存在，且加热会凝固；

　　(8) 液态水容易过热；

　　(9) 热水可能比冷水结冰快；

　　(10) 液态水容易过冷，但很难玻璃化；

　　(11) 液—气相变体积变化极大，～1800 倍；

　　(12) 熔化时，水的近邻数增加；

　　(13) 压力会降低冰的熔点；

　　(14) 压力降低最高密度对应的温度；

　　(15) 过冷水有密度最小；

　　(16) 压缩率极小；

　　(17) 压缩率随温度下降（直至～46.5℃）；

　　(18) 压缩率—温度关系有极小值；

　　(19) 折射率在低于 0 ℃ 附近取极大；

　　(20) 比热非常大；

　　(21) 高的导热率，在 130 ℃ 时取极大；

　　(22) 粘度随压强降低；

　　……等等。