水的答案 

英国科学家飞利浦·鲍尔是现代最杰出的科学家之一，是著名的科学杂志《自然》的长期科学顾问，他曾说：“没有人真正了解水。承认这件事确实很尴尬，但是这种覆盖了地球三分之二的物质仍然是一个谜。更糟的是，我们所见越多，问题越多。在用最新的科技探索液态水的分子建筑的时候，我们发现了更多的谜团。”

确实，布朗当年所发现的微粒在水分子作用下的无序运动，只是“冰山一角”。此后不断传出的关于水分子的发现，不再与“无序”有关，而是趋向于“有序”。这大大挑战了人们的常识，也令许多科学家难以接受。因此，科学史中各种关于水分子有序性的研究，几乎无一例外地遭到质疑。即便是著名科学家也在所难免。这种建立在已经形成的科学定见基础上的权威的力量是惊人的，它确实为维持科学的纯洁和尊严做出了贡献。但是，有时也会发生在倒掉洗澡水时，将孩子也一起倒掉的情形。关于这方面的掌故，在《水的答案知多少》（化学工业出版社，2015年9月）一书中有详细论述，有兴趣的读者可以参阅。我们在这里介绍的，是水分子趋向有序的一些公知的实验事实。这与我们要讨论的问题是密切相关的。

首先，水的分子结构已经是公认的。一个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成。氧原子通过与两个氢原子形成的共用电子对组成的氢键而成为稳定结构。但是两个氢键与中心氧原子不是在一条直线上分布，而是有一个夹角，经测定为104.5度（图1-8）。同时水分子中的电子对更靠近氧原子，这就使水分子呈现出极性：氧原子一侧呈负电性，氢原子一端呈正电性。水的所有化学性质都与水分子的氢键和极性有关。

图1-8　水分子结构示意图

水的极性使水与环境之间的作用有了方向性。正是水分子的这种极性，使水可以溶解许多物质，我们喝的茶水、糖水、盐水，都是水中溶解了这些物质分子的结果。水同时是组成生命体的最重要成分。水对人类的重要性是不言而喻的。

除了在空中，水总是处在一定的界面内的，或者说在一定容器内。无论是杯盘碗盏，还是江河湖海，都可以说是装水的容器，包括细胞也可以看作是水的容器。因此，水分子之间、水与容器器壁之间、水与溶于其中的溶质之间，都会因极性而出现取向排列。例如与溶质形成“水合物”。水的化学组成虽然十分简单，然而它却体现出很多不同于其他化合物的物理化学性质。其中水分子之间因极性靠近而形成的分子团，被称为“水簇”。因此，人们推测在自然状态下水并非以单分子存在，而应以分子簇的形式存在。但是直到1977年，科学家才利用红外光谱测试仪首次证实了二元水簇的存在。水簇是两个或多个水分子通过氢键组装形成的具有特定构型和拓扑模式的聚集体。水在许多生命和化学过程中起着十有分重要的作用。

近年来，随着X射线衍射技术的进步，人们可以通过单晶衍射仪精确地测定晶格中水分子的位置，从而精确地描述水分子之间的氢键作用的各项参数，能够更清楚地了解水的各种物理化学行为。

2014年1月，有消息称：北京大学科学家在世界上首次拍到水分子的内部结构，并揭示了单个水分子和四分子水团簇的空间姿态（图1-9）。这一成果发表在《自然-材料》杂志上。这与近年来一系列关于水的结构的研究一样，多少为当年被嘲笑过的“聚合水”平了反。

图1-9　科学家拍摄到的四分子水簇

水作为水分子的聚集体，由于较其他物质更容易通过改变聚集状态实现各种组装，成为可以以三态（水、冰、蒸气）形式在自然中不停地自由转换的物质。从大海江河里的水和一切生物体内的水到天上的云，从你厨房蒸锅里散布出蒸汽到突降的大雨，从冰箱里的冰到冬天飘落的雪，所有这些司空见惯的水三态转变，随时随地在进行中。这已经是够奇妙的了。而在华盛顿大学生物工程系教授杰拉德·波拉克看来，水还有第四态，他以大量实验和解析证明液体水中有多姿多彩的不同形态的水，包括已经说到的水簇。其要点是水在与不同界面接触中，会与界面有不同的互动，从而组装出不同的形态。充分表现出水对环境的“识别”能力和基于这种“识别”作出的反应。这是物质之间除了力学、电学等场效应以外一种自发的运动形式，是水分子趋向有序的证明。

水分子的流动性使其在受到任何扰动（包括温度影响）时都会四处“游走”，因此，我们观察到的水分子的无序状态，只是它组装过程的“片断”。水分子会在这种运动中通过极性取向和聚集，形成各种组装态，包括水簇、水合物、双电层介质、膜介质或更复杂结构形态。由此，我们可以认为，在水中看似“乱窜”的微粒的布朗运动，其实是水分子趋向有序的运动过程而已。

上面说到的水分子“识别”环境的过程，其实质是水分子与水分子之间、水分子与其他物质界面间由于分子极性和界面极性出现的分子姿态的调整。例如在电解质溶液中的阳离子周围，会有许多水分子与之形成配位体，即组装成水合离子，这些聚集在阳离子四周的水分子，都会将自己负电性的一极与阳离子相吸，正极性一端朝外，形成的水合离子仍然显示阳离子极性，它的同围还会吸引第二层水分子、第三层水分子，只是这种外围的水合体与中心阳离子之间的吸引力更弱。这些外围的水分子随时会因为环境中的各种变化而离散，向新的界面移动。水体中的温度差、密度差都会改变水分子的运动。在电化学中称这些为梯度。不同梯度的环境引起的水分子的活度是不同的。因此，水分子始终处在活跃的状态，并且一种完全的平衡状态形成以前，表现出的是无序的活跃。以水中漂浮的花粉为例，在水分子因环境极性或各种梯度调整自己姿态的时候，会从不同方向撞到水中的花粉，东一下、西一下，花粉就在不停地做无规则的运动了。

我们再回到雪花的话题。现在我们可以认为，雪花是水分子从气态向固态转变的过程中，在环境条件合适的情况下，以最大自由度组装的结果。空中没有容器等刚性物质施加的影响，水分子在结晶时受到的扰动极小，于是可以顺利地组装出极为规则的正六角形的花形结构。这种结构也是一种分形，但它是极规则的。

这样，我们通过雪花和布朗运动了解到分子具有的一种重要特性，这就是微粒的自组装。

本书的主要内容，就是围绕“自组装”这个概念展开的。