為什么水是濕的？

水為什么是濕的？這并不是一個腦筋急轉彎，它的答案也并非“神經病，因為水本來就是濕的啊”——這是一個，咳咳，嚴肅的化學問題。

《鸚鵡螺》雜志前不久刊登了這樣一篇文章，作者是來自加州大學伯克利分校的化學教授Richard Saykally。對于標題中的問題，他是這樣解釋的：

當我的女兒們還小的時候，我們曾經就這個問題做過一些探索。事情的起因是這樣的，當時我的女兒們在浴缸里泡澡，這時最小的女兒突然問我，“爸爸，為什么水是濕的呢？”對此正確的答案是：液態水分子的四面體構型(tetrahedral hydrogen bonding)。多年之后在學校里被遇到這個問題，她們會向老師回答說：“是因為四面體分子構型！”——沒錯，這就是該問題的正確答案。

這個術語對大家或許沒有什么意義，但在看了下面的圖示之后，再想想水分子的這種結構有多奇特，或許你會開始對“四面體構型”有些概念。

上圖就是一個典型的四面體鍵。和你猜測的一樣，一個正四面體分子構型中，每個鍵角角度都約為109.5度(正四面體分子構型)，形狀為金字塔型。但液態的水分子并非這樣規規矩矩的四面體——水分子中未成鍵的孤對電子將兩個氫原子相互推攏，這樣其中一個夾角變成了104.5度，整個四面體變得不規則。

討論水為什么是濕的時，很多時候我們所說的是水的“附著性”——為什么水碰到水就能融合到一起？為什么天花板上的水珠能吊這么久？為什么一滴水滴在硬幣上，倒出來一半硬幣上卻出現更多個水滴？

如果你能看到水分子的一舉一動，你會注意到水分子時刻都在吸引著旁邊的水分子鄰居。每個水分子里有兩個氫原子和一個氧原子。它超強的附著性就要歸功在這兩個氫原子身上。氫鍵是分子間一種永久偶極的作用力，它發生在已經以共價鍵與其它原子鍵合的氫原子與另一個原子之間，通常發生氫鍵作用的氫原子兩邊的原子都是電負性較強的原子。一個水分子中的兩個氫原子位于氧原子的一側，被氧原子和鄰近的水分子鄰居中的氧原子所吸引，這時就發生了氫鍵反應。水分子因為其偶極性導致它們互相之間又穩固的氫鍵牢牢拴在一起，就像下面的圖一樣。這就是為什么水會“打濕”東西。

所以如果你聽到有學化學的人告訴你水“是彎的”，現在你應該知道意思了。Saykally 之后更詳細地解釋了為何這種分子結構會賦予水神奇的屬性：

水分子簇(或水分子團，"water cluster")指超過兩個水分子形成的一種排列方式，比如兩個水分子所形成的二聚水。當然這種由兩個水分子聚合形成的大水分子并沒有什么形狀可言，而當聚合分子中的水分子數量上升時，水分子簇的形狀會產生各種變化。三個水分子的水分子簇形狀為環狀；四個水分子會聚合成接近方形的環狀；五個水分子聚合成五角形；而當數量上升至六時，聚合物的形態就從平面圓環轉變為三維的籠狀結構；由此類推，當它為七聚體，八聚體，九聚體時形態也類似。其中八聚體的形狀近似于一個拉伸后的立方體，之后更大數量的聚合體都在這個立方體基礎上變化。上面所提到的都是可以在絕對零度時找到的，比較常見且穩定的結構。

（編譯：keep_beating；via io9/exploratorium）