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水是地球上最常见、最重要的液体，它构成了海洋、湖泊和溪流……没有水，生命就不可能存在。水看似是常见简单的物质，实际它有很多反常的特性！可以说是很神奇的物质了！

看看下面这些水的特性，有哪些是颠覆你的认知的？

在液体中，水是独一无二的

水的摩尔质量很低（18.02g/mol）,但在室温下是液体。没有其他类似摩尔质量的化合物在室温下为液体。例如，氮气（28.02g/mol）和二氧化碳（44.01g/mol）在室温下都是气体。

液态水的多面体结构模型

液态水中，分子不停地运动，分子间的相对位置不断改变。水不像晶体一样有着单一的、确定的结构。《结构和物性—化学原理的应用》的作者认为水中除了无序结构的一部分外，还有像冰结构那样的"碎片"以及含有大量呈动态平衡的、不完整的多面体体系，主要是五角十二面体（图A）。

水的多面体结构中存在着大量氢键。

液态水多面体的结构

（A）五角十二面体（B）十四面体（C）十五面体

冰熔化为水的过程是部分氢键断裂，部分环化成以五角十二面体为主的多面体体系的过程。

理想的冰的熔化过程

水的热学性质

冰、水和汽三者间相互关联的热学性质：

在冰中，水分子间通过氢键结合在一起。冰变为汽，要破坏全部氢键，所以升华热很大；冰变为水，熔化热很小；水变为汽，蒸发热很大。

冰、水和汽三者间相互关联的热学性质

水的相对高沸点

通过水分子的结构可理解，水的相对高沸点（因其摩尔质量低）。水分子的弯曲几何形状和O-H键（氢直接与氧结合）使水分子与其他水分子形成强大的氢键，从而产生相对较高的沸点。

水的结构和其中的氢键

水的高极性

水的高极性也使得它能溶解许多其他极性和离子化合物。因此，水是生物体的主要溶剂，能在体内运输营养物质和其他重要化合物。

水的独一无二的结冰方式

大多数物质遵循"热胀冷缩"的规律，然而水在0℃到4℃之间却呈现出"热缩冷胀"的反常现象。这个看似微不足道的现象有着重大的影响。

液态水在结冰时会膨胀，所以冰的密度比液态水的小。因此，冰块和冰山都能漂浮在水面上。冬季湖泊表面的冰冻层使湖中的水免于进一步结冰。如果这一层冰下沉，水底的生物很难生存。

然而水在冷冻时的膨胀是大多数有机体不能存活的原因之一。当细胞内的水结冰时，它会膨胀并使细胞破裂，就像管道内的水结冰时会使管道破裂一样。比如，生菜会冻坏，是因为水结冰导致的膨胀会使叶内细胞破裂。

水结冰导致的膨胀会使叶内的细胞破裂

水在4.0℃时达到最大密度

你有没有注意到，冰箱保鲜层的温度通常设定在4℃，这个数值可不是随意选定的，这跟水在4.0℃时达到最大密度的特性有关。

当水温从4℃开始下降，水分子之间的氢键逐渐发挥主导作用。氢键是一种特殊的分子间作用力，它使得水分子有序排列，形成类似冰晶的结构。在这种结构中，水分子之间的距离逐渐增大，导致水的体积膨胀、密度减小。

而当水温从4℃逐渐升高，水分子的热运动加剧，分子间的距离增大，同样会引起体积膨胀和密度减小。正是这种特殊性质，使得水在4℃时密度达到最大。

而在冰面下方，4℃的水密度最大，这部分水会下沉到水体底部，从而使底部温度稳定维持在4℃左右，为鱼类、水草等水生生物提供了一个稳定的生存环境。

离子水合作用—动力学幻数效应

离子与水分子结合形成水合离子是最为常见和重要的现象之一，但关于水合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点，至今仍没有定论。究其原因，关键在于缺乏原子尺度的实验表征手段以及精准可靠的计算模拟方法。

北京大学科研团队开发了一种基于高阶静电力的新型扫描探针技术，获得了单个钠离子水合物的原子级分辨图像，并发现特定数目的水分子可以将水合离子的迁移率提高几个量级，这是一种全新的动力学幻数效应。

揭示水合离子的原子结构和幻数效应

（2018年度中国科学十大进展）

该工作首次澄清了界面上离子水合物的原子构型，并建立了离子水合物的微观结构和输运性质之间的直接关联，颠覆了人们对于受限体系中离子输运的传统认识。这对离子电池、防腐蚀、电化学反应等应用领域都具有重要意义。

【本期主要参考资料】

1、《基础化学与生活》（第6版）——电子工业出版社 2021.11

2、《结构和物性—化学原理的应用》——北京高等教育出版社，2009.5