水的“魔方”
吴余
代引言 聚合水和记忆水风波
上世纪60年代，有个苏联科学家报告说，他发现了一种神奇的水。这种水密度比普通水大了大约40％，在100摄氏度时不沸腾，在零下40摄氏度时才结冰，而且像凡士林一样粘。生物喝了这种水，可以直接从中摄取能量。这样一来，人不吃东西光喝这种水就能维持生命了。他把这种水称为“聚合水”。而且制造这种水的方法很简单：只要把蒸馏水放在一个小容器中加热，用一束石英毛细管收集水蒸气冷凝即可得到。英国著名物理学家贝尔纳甚至宣布这是“本世纪最重要的物理化学发现”。
一位想像力丰富的美国太空物理学家认为金星上的水很可能就是聚合水，他同时担心，聚合水万一从实验室泄漏出来，可能会把自然界中的水都变成聚合水，这必然会导致地球生命的全部灭绝!而更实际一点的科学家则设想，聚合水既然像凡士林一样粘，而且
上世纪还有一位法国化学家发现一个与水有关的奇特现象：把某些不同浓度的过敏药物，滴入装有血细胞的试管中，在显微镜下观察细胞的反应。当药物浓度大时，血细胞反应剧烈；随着药物浓度降低，血细胞的反应趋于平缓；但不可思议的足，等药物稀释到一定程度，按推算在溶液中已经找不到一个药物分子的时候，血细胞的反应反而又加剧了。于足他认为，水也许有记忆的功能，即使水中已经没有药物了，水依然能记住药物分子……
以上这些发现，一度给水罩上了神秘的面纱，让我们突然感到水的不平凡。可惜好景不长，这些所谓的发现后来都证明是错误的。所谓的“聚合水”不过是溶解了石英管上杂质的水而已。而关于水有记忆的说法，在更严格的监督下，后来的一系列实验也给出了否定的结论。
这样，水，这种我们天天喝它、用它的普通流体，经过这番热烈的折腾，又恢复了它朴实无华的本性。看着这种无色透明的流体，我们又觉得它实在是再普通不过了。
但是，水真是像看起来那么普通么?在这篇文章里，我们就是要向你介绍水的种种不平凡之处，让你看到水就像一块魔方，随着外界条件的变化，可以不断变出千奇百怪的新花样来!
上篇 鲜为人知的水的奇妙性质
过冷水和玻璃水
在一个标准大气压下，水的冰点是
若让过冷水继续过冷，当过冷到
玻璃水很有意义。例如，人体冷冻保存的关键问题之一是避免水结成冰，因为水结冰，体积骤增，这会破坏人体细胞组织。而玻璃水却会不知不觉地由液态变为固态，或者由固态变成液态，过程中没有明显的体积变化，不至于因水结成冰而撑破细胞。这给人体冷冻技术带来了很大的希望。
冰的家族
冰也并非任何时候都在
自然界中我们看到的冰绝大多数是六角形的冰，比如说雪花就是这种类型。这种冰在1个标准大气压下，熔点是O℃，压强增大，熔点会下降。这个特点使得我们在冬季可以滑冰。当冰刀挤压冰面时，接触部位的冰因为压强增大而融化成水，融化的水对冰刀起到润滑作用。但假如压强超过2072个标准大气压，普通的冰就转化为另一种冰，这种冰的熔点却随压强的增大而升高，在21870个标准大气压下，甚至可以达到
当普通六角形冰在
在一些结晶水合物中，水分子还可以编成“水笼子”，用来囚禁别的分子。比如在可燃冰(8水甲烷)中，8个水分子编织成了一个笼子，把1个甲烷分子囚禁在里面。假如在气体状态下，甲烷分子之间往往相距甚远，但如果关着甲烷分子的“水笼子”叠在一起，甲烷分子之间的距离就大大缩短了。这样，
能腐蚀黄金的水
我们知道，水的沸点跟气压有关。在1个标准大气压下，沸点是
本来在沸点处，同样的温度下，水的密度要远大于水蒸气的密度。温度越高，水膨胀越厉害，密度也越小；而水蒸气因压强增大，密度却越来越大，在220个大气压，
比如说，在这种状态下，超临界水能够溶解几乎所有东西，甚至包括油、塑料、一氧化碳等，超临界水可以将有机材料分解成一些更简单的小分子；而像食盐之类的平时易于溶解的无机盐，反倒不容易溶解了。在超临界水中，化学反应会变得更快，反应速度甚至能达到普通条件下的100倍。有人建议用超临界水来溶解下水道排出的污物，这些污物将会被溶解成晶莹剔透、无味、无菌的溶液。传说中太上老君的炼丹炉，任何东西扔进去都会变成稀汤清水。也许炼丹炉里盛的是超临界水吧。
假如把氧气注入超临界水，它就会变成一种强氧化剂，能够分解一些最难分解的有毒废料。将需要处理的物质放入超临界水中，这种物质就会被氧化成无毒的物质。有的还能够发生自燃，在水中冒出火焰。在美国的洛斯阿拉莫斯国家核物理实验室，科学家就是用这种流体来处理过期的火箭燃料、炸药和化学武器的。这种超临界水的麻烦在于它能够缓慢地腐蚀几乎任何一种金属，甚至黄金，因此很难找到既能抗高压又能抗腐蚀的材料来装这种流体。
德国科学家最近在对大西洋底一处高温热液喷口进行考察时发现，这个喷口附近的水温最高竟然达到
用超声波处理后的水
除了在高压下加热使水变成超临界水外，还可以用别的办法来改变水的性质。比如说，超声波就能对水产生显著影响。
超声波的频率很高，在水中它能产生极小的气泡。当气泡破裂时，在这些气泡内能够在几分之一秒的时间内产生极高的温度和压力。在这样的温度和压力下，气泡内的水分子中的一个氢原子能从水分子中挣脱出来，使原来的水分子变成了一个具有很强反应能力的羟基自由基(-0H)。这个羟基自由基会与它遇到的任何分子进行反应。这样，那些危险的、难以控制的物质在水中就能轻松被处理掉。
利用这种用超声波处理过的水，甚至能清除氟利昂气体。大家知道，氟利昂是破坏地球大气臭氧层的元凶。这种气体化学性质不活泼(也正是因为这一点，它才被广泛用作烟雾剂、隔热泡沫材料和制冷剂)，一般说是很难处理的。在经过超声波处理过的水中，氟利昂被分解成了二氧化碳、盐酸和氟化氢，这样它就不会危害环境了。
而且制造这种水的方法很简单，只要在
下篇 水为什么会那么特别?
水为什么会反常膨胀?
自然界中大多数物质是热胀冷缩的，但水在温度由
水为什么会反常膨胀呢?这得从水分子之间的作用力谈起。
1个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成。水分子虽然整体呈电中性，但正负电荷的中心并不重合。负电荷中心靠近氧原子，正电荷中心在2个氢原子一侧，这种现象称为水分子的极性。水的几乎所有性质都与水分子的极性密切相关。
因为水分子具有极性，所以1个水分子中的氢原子能够与附近另一水分子中的氧原子发生正负电荷相互吸引，这种作用力在化学上叫“氢键”。
因为存在氢键，水分子间的作用力大大增强。让我们设想一下，如果水分子中没有氢键，那么冰在
当水处于气体状态时，由于分子间距离过大，无法形成氢键，水分子基本单独来往。当水处于液态或固态时，水分子之问间距较小，就能够形成氢键。
在常温下，假如你变成一个微小的精灵，到液态水的世界走一遭。你会发现：首先，大部分水分子是“单身汉”，它们游手好闲地在“大干世界”游荡着；其次，你还会发现许多2个水分子手拉手的“恋人”，它们其实是通过氢键拉起手来的，但不时被横冲过来的“单身汉”拆散；最后，还有一些“三口之家”，即3个水分子手拉手组成的集体，它们也是通过氢键结合在一起的，不过更容易被拆散。3个以上水分子手拉手的现象就比较罕见了。
固体冰中，每个水分子均与其它3个水分子以氢键结合，手拉手形成正四面体的空间网状结构。因为每个水分子基本上固定在一个位置，所以这种结构比较稳固。又由于在固态冰中，水分子形成的空间网状结构比处于液态时结构疏松，所以水结成冰体积要膨胀，密度要减小9％，这就是冰能浮于水面的原因。
在
生命为什么离不开水?
目前知道的所有生命都需要水，即使某些微生物，比如水熊、耐辐射奇球菌等特别顽强的生命，可以离开水在太空环境中生存数年，但没有迹象表明它们可以永远脱离水而生存繁殖。生命可以不需要氧(比如某些厌氧细菌)，但要彻底离开水却是万万不能的。
那么生命为什么离不开水呢?我们知道，生命体内每秒钟都要发生成千上万次的生物化学反应，正是这些生物化学反应维持着生命的新陈代谢。但是这些反应大多必须在液体的环境中才能发生。试想，两团干巴巴的物质在空气中足很难发生反应的，但一旦溶于液体溶剂中，在溶剂分子不断的推动下，这两团物质的分子才有可能碰撞结合在一起，生成新的物质。
自然界中可以充当溶剂的当然很多，比如酒精就是一种很好的溶剂。但水是最好的溶剂，能溶解的东西最多，所以水被称为自然界的万能溶剂。
水能溶解更多的东西，这就意味着在水中能发生更多的生物化学反应，有些重要反应在别的溶剂中不会发生，但在水中却能发生。这恐怕就是复杂的生命离不开水的根本原因。当然，也有人提出地球生命之所以离不开水，是因为水是地球上最多的液体，进化出来的生命不得不适应这种水的环境：如果地球上最多的流体是酒精或者甲烷，那么说不定地球生命就离不开酒精或者甲烷，而不是水了。这种想法看似有道理，不过多半只是臆测，并没有多少科学上的根据。例如，人们在土星的卫星泰坦中发现地表有大量的甲烷湖、甲烷河，但至今没发现有任何喝甲烷的生命存在的痕迹。
形形色色的水
普通水1个水分子是由2个氢原子和1个氧原子组成的，但还有一种水，它却是由2个氢原子和2个氧原子组成的，这种水叫双氧水，化学上又叫过氧化氢。这是一种不能随便乱喝的水。这种水有极强的氧化性，具有杀菌消毒的作用。如果你取这样的一试管双氧水加热，再将带火星的木条伸入试管中；木条会扑哧一下复燃起来。这是因为双氧水加热后会分解成普通水和氧气。双氧水是危险品，严禁在火车和飞机上携带。
从化学组成上，除了普通的由氢氧两种元素组成的水，还有由氧和氢的同位素组成的水。所谓同位素足指原子核中质子数相同，中子数不同的原子。氢有三种同位素：氕、氘、氚。氕原子只由1个质子组成，我们平常喝的水主要就是由氕和氧组成的；氘由1个质子、1个中子组成；而氚由1个质子、2个中子组成。2个氘原子与1个氧原子形成的水叫重水，2个氚原子与1个氧原子形成的水叫超重水，1个氕原子、1个氘原子和1个氧原子形成的水叫半重水。这些带有“重”字的水是重要的核聚变原料，但它们可是生命的大敌。饮用重水含量过高的人，会在几小时内死亡。而含重水特别少的水，比如雪水，却能刺激生物生长。
我们说的这些形形色色的水，虽然冠以“水”的名字，其实已经不是通常所说的普通的水了。
《科学之谜》
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