水在酸中形成氢键网络，溶解的溴化钾和碘化钾影响表面现象

本文刊载于《科学观察》2006年第1卷第6期P62-P63。

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在伦敦，预测公交车什么时候到达是一件很可笑的事情，因为你等了20分钟车还没来，而马上可能又会有三辆同时到达。这也正是我看到最近10篇热点论文中竟出现5篇与水有关的文章时的感受。那么是什么原因促使水再次成为研究的焦点呢？其中部分原因无疑源自我们对生存环境的关心，因为我们生活的星球绝大部分区域被海水覆盖，同时，水的化学性质依然是我们孜孜以求的研究对象。

本期热点论文的第1和第2篇曾经在今年的ScienceWatch第1期（本刊第2期）中讨论过。AndersNisson和LarsPettersson共同发表的论文（排名第1）是一篇专门研究液态水的文章。该研究工作由斯坦福同步加速器辐射实验室、柏林同步辐射电子储存环公司（通常称为BESSY）和斯德哥尔摩大学、林科平大学、乌得勒支大学联合完成。论文主要讨论了液态水中氢的键合作用，并推翻了已经被广泛认同的理论。研究结果表明氢键所构成的并不是平均每个水分子带三个氢键的随机网络结构，而是80%的水只形成两个强的氢键，从而产生链状和环状结构，并且这些分子链条和分子环进一步通过较弱的氢键镶嵌在无序的团簇网络中。

第2篇论文主要由日本筑波国家产业研究所的KenjuHata和DonFutaba完成。他们发现，为了制备完美的碳纳米管，痕量的水是必要的。

论文4、7、8是针对酸溶液、碱溶液和盐溶液开展的研究。论文4研究了一种早已经被认识到但却始终困扰科学家的水溶液行为：为什么溶解的碱和盐会增加水的表面张力，而酸却降低水的表面张力呢?捷克共和国科学院PavelJungwirth领导的研究小组给出了这一问题的答案，该小组的研究人员分别来自捷克共和国、德国和美国的俄亥俄州、加州及华盛顿州等地方。研究小组通过采用计算化学的方法和振动和频光谱法（vibrationalsum frequency,VSF）发现，盐和碱溶液中的金属阳离子在水的表面被排斥，而阴离子是被吸引的，虽然阴离子的位置依赖于它们自身的大小和极化能力。然而，在酸中，H₃O⁺离子被吸附在表面，此时，它们的氢原子在水分子周围形成氢键，留下没有被键合的氧原子暴露在外。这一研究结果解释了为什么酸在表面张力方面会表现出不同的行为。(www.xing528.com)

俄勒冈大学的GeraldineRichmond和ElizabethRaymond也利用VSF光谱研究了卤化钠在水以及在水和重水混合物里的行为（第7篇论文）。同位素稀释表明，通过形成强氢键，氟化物离子能够促使水结构更加紧密。而氯化物、溴化物以及碘化物离子则削弱了氢键作用，并引起水结构的部分塌陷。他们同时还发现，溶解的盐几乎对水分子的顶层没有任何影响。

第8篇论文同样也是通过美国加利福尼亚大学欧文分校（简称UCI）、劳伦斯伯克利国家实验室以及阿根廷拉普拉塔大学的化学家们多方合作的成果。UCI的JohnHemminger是该研究的主要负责人。他们使用X射线光电子光谱研究了溶解的溴化钾和碘化钾对表面现象的影响，并发现在较浓的溶液里，碘化物的浓度在表面有显著的增加。他们还注意到，试验结果与计算模拟数据极为吻合。

化学家早已发现水在诸多方面具有独特的性质。室温条件下，水本应该是气体，但是氢键的网络结构使其保持液体的状态；冰本应该下沉，但是其形成的众多氢键却使之浮在水面上；水具有很高的表面张力，原因是它有明显的氢键网络结构。早在1910年，科学家就观察到了这些性质会受溶解的盐、酸和碱的影响。但是在那个年代，为什么受影响，为什么这种影响表现如此不同，科学家则无法做出合理的解释。现在，他们找出了答案。

翻译：朱海峰 审校：马建华

*John Emsley 博士，英国剑桥大学化学系