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冰浮于水是个化学问题

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为何水在常温下是液态?为何冰能浮在水上?这都是氢键的神奇魔力。1936年,诺贝尔化学奖获得者鲍林首次正式提出了“氢键”概念,但一直没人见到过氢键的样子。去年,年轻的嵊州籍科学家裘晓辉和他的团队利用高分辨的原子力显微镜,终于第一次真实地拍到了氢键的照片。这张照片为"氢键的本质"这一化学界争论了80多年的问题提供了直观证据。不仅将人类对微观世界的认识向前推进了一大步,也为在分子、原子尺度上的研究提供了更精确的方法。这个发现立即震惊了世界,全世界最权威的学术杂志之一——《自然》杂志评述其为2013年度3幅最震撼的图片之一。李克强总理在同国家杰出青年基金获得者代表座谈时,对基金获得者裘晓辉和他的团队取得的成就给予了充分的肯定,并勉励裘晓辉等年轻科学家积极创新创业,推动科技与社会发展。

氢原子与电负性大、半径小的原子X(氟、氧、氮等)以共价键结合,若与电负性大的原子Y(与X相同的也可以)接近,在X与Y之间以氢为媒介,生成X-H…Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用,称为氢键。(X与Y可以是同一种类分子,如水分子之间的氢键;也可以是不同种类分子,如一水合氨分子(NH3·H2O)之间的氢键)

液态水,除含有简单的水分子(H2O)外,同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等,当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在,当温度升高到3.98 ℃(101 kPa)时,水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在,分子占据空间相对减小,此时水的密度最大。其实使水分子相互缔合的作用力就是氢键。如果温度再继续升高在3.98 ℃以上,一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。

水温降到0 ℃时,水结成冰,在氢键的作用下,水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子,在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键,两个氢键),如右图所示。这样一种排布导致成一种敞开结构,也就是说冰的结构中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小。

氢键虽然能使冰中水分子有序排列,其强烈程度大于一般的分子间作用力,但是它仍然不是真正的化学键,因为它的作用还是弱于化学键。

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