介质特性:
    水,在英文叫做WATER,化学分子式是H2O,氢和氧的最普遍的化合物。水在自然界中以固态、液态和气态三种聚集状态存在。空气中含有水蒸气,土壤和岩石层中有时也积存着大量的水。水是动植物机体所不可缺少的组成部分。在一大气压下,水的沸点为100摄氏度,冰点为0摄氏度。水的密度在4摄氏度时最大。水能溶解许多物质,是最重要的溶剂。
全世界最獨特的物質
  水是一种非常有趣的东西,自然界的物质都遵守着物理与化学的自然规律,惟独水不遵守。水的特性让许多科学家「跌破眼镜」。水是最平凡又是最奇妙的东西,至今仍使许多聪明的人百思不解。不过幸好水不遵守自然界的常规,否则所有的生物都无法生存。例如自然界的常规是温度愈低,物质的密度就愈大,但是水的密度在4℃时最大,水由4℃到0℃,温度降低,密度反而减少。如果水的密度是0℃最大,在冬天时,所结的冰会沉到水底,而表面的水又会继续结冰下沉去,如此整个海洋、湖泊、河川从水底到水面都会结成冰块。没有一条鱼、没有一株水草,能够生存在冰块里,整个水域会变为毫无生命气息的地方。

  但是事实不是这样,冰的密度比4℃水的密度小,所以水结冰时是浮在水面上,不会沉到水底去。水面上结了冰就会隔绝水与冷空气的接触,因此冰结到某一个厚度后就会停止。这样冰天雪地的南北极,企鹅仍然可以在冰块底下找到丰富的鱼群为食物。为什么水会有这种奇妙的特性,帮助生物的存活呢?这是科学家无法回答的问题。全世界只有水有这种特性,其它物质都没有这种特性。

维护地球的生命

  最早发现水在4℃时比重最大,以致于能挽救地球上的生物免于浩劫,是两个英国的科学家威韦尔(William Whewell)与伯勒特(William Prout)。威韦尔是一个矿物学家,他把水与冰的变化,当成一种矿物不同型态的转换去研究,但是冰的密度又比常温水的密度大,所以在水的冰点0℃与常温(20-25℃)之间,一定有一个水温其密度为最大,他认为这是一个让地球的生物能够渡过寒冬的关键。

  威韦尔把这个想法告诉另一个杰出的科学家伯勒特。伯勒特是一个医生,但是他对生理化学研究的热忱,比对病人量温给药工作更感兴趣。伯勒特虽然被认为是不务正业的医生,但是他是世界上第一个发现「动物的胃内,含有盐酸,能够帮助分解吃进去的食物。」,也是首先提出「人的尿里含有尿酸」,并且能由尿酸中提出很纯的尿素。更又趣的是,他分析了许多的食物,发现食物的花样虽多,但其成份不外乎「水、脂肪、碳水化合物,与蛋白质」四种。

威韦尔找对人了

  当时威韦尔三十九岁,担任剑桥大学教授,伯勒特四十八岁,还在醉心于尿的研究。两个不同领域的人合作,矿物学加上生理化学,迸出了人类自然科学上重要的发现。在一八三三年两人提出「如果冰的密度比水大,万物将难以存活。」并且进而提出:「水的这一个特性,是我们在自然界里所发现最特别的,其它的物质都没有这种特性。水的这一个特性,是一种特殊的设计,为要达成让生命能够存在的目的。这个特性与水分子的结构有关,这是出于那位神圣创造主的美意。」这一段话,成为后来水为维持生命所需的依据。后来物理学家焦耳(James Prescott Joule)以更精密的实验,印证他们发现的正确。

  一九00年另一个化学家苏斯连(Sutherland)提出:「水的结构是(H2O)n,当水在100℃沸腾时,n=1,水是以一个、个互不相连的水分子存在。当温度降低时n值就增大,4℃时n值最大,比重也最大。但是温度小于4℃时,水分子逐渐结成为六角形的晶体结构。到0℃结冰时,n=6,成为六角形晶体。由于六角形晶体水分子之间有较大的空隙,所以水在结冰时,密度反而比4℃时低。」苏斯连的解释,对于水的特性又有进一步的认识。

平凡里的不平凡

  到了二十世纪,美国加州柏克莱大学的化学教授鲁易斯(Gilbert Newton Lewis)提出「共价键」理论,水分子是一个氧原子与两个氢原子所构成的,由于氧原子比氢原子更具吸引电子,所以共享的电子较接近氧原子,氧原子呈现负电性,氢电子呈正电性,由于水分子有两个氢,所呈现的结构称为「电双极」。

  水不是自然界唯一有电双极的物质,但是,水分子的两个氢键却有一个最特殊的夹角105°,没有任何物质的键结有这种角度,一般是180°,120°,只有水分子有105°,这使得水分子的电双极特别强。水因为有电双极容易与其它化学物质结合,所以水是最佳溶剂。电双极之间有很大的吸引力,所以水的沸点高,表面张力也大。鲁易斯逝于一九四六年,他写的「原子与分子的键结与结构」(Valence and the Structure of Atoms and Molecules)是二十世纪化学经典之作,但是对水分子为何含有105°的夹角,仍然无法解释。

  一九五三年,科学家Thompson King写道:「水是地球上所有生命的必需品,是每天生活的必用物,是最广被使用的物质,也是最普通的东西,却是人类最不了解的。」

  这一切都是在水有那特殊的105。水能保护地球上一切生物,甚至宇宙上任何一个星球,如果没有水存在,就不用考虑其上生命存在。嘿!是谁在水分子上动了手脚呢?

 
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