看完這篇文章，我都不認識水了

如果你要撲滅一場火，會冒著風險用化學元素周期表裡最易燃的兩種元素組成的化合物去撲滅它，還是直接用最普通的自來水呢？

這是一個刁鑽的問題——因為水正是這樣的一種物質。我們都知道氧和氫是最易反應的元素。而且正因為氫有著巨大的能源潛力，氫氣是我們未來燃料的最好選擇。而氧氣則是絕對是最佳助燃劑，甚至我們體內的細胞也需要它來幫助提供能量。空氣中的含氧量大概為21%，氧氣的濃度一旦被提高，哪怕只是幾個百分點，連阻燃泡沫都會燒得像被油潑過似的。如此強大的與任何燃料都能結合的能力使得氧氣具備強大的助燃作用，無論是多複雜的生物體都能被其驅動。

但是當這兩種元素在一起的時候，他們就成為了消防員的好幫手，這實在是讓人大吃一驚。化學家將這些超乎人的意料的特性稱為「水的不規則性」，今天我們就來探索一下這種液體的奇妙特性。

首先， 室溫下的水不應該是液體。

當我們談到液體是什麼的時候，水總會被當做一個典型的例子。但從化學角度講，它應該是一種氣體。水的摩爾質量約為18克/摩爾，在室溫下是液體。但是硫化氫（與水擁有相似的結構）和氨氣（與水擁有相似的摩爾質量）在同一溫度範圍內卻是氣體。甚至連摩爾質量約為29克/摩爾的比水重的空氣都被完完全全地叫做氣體。

這種現象之所以會出現，是因為水分子真的很喜歡粘在一起。水的H-O-H氫鍵結構意味著他們已經高度極化，即氫原子形成正極，氧原子形成負極。當它們自由運動時，水分子就會因為相反電荷互相吸引而連接在一起，形成我們所熟知的氫鍵。為了更清楚地認識氫鍵的作用，我們必須去了解一下氫鍵的摩爾質量和密度。

摩爾質量基本上告訴了我們具備一定數量分子的物質有多重，密度告訴我們一定體積的物質有多重其，由此我們可以知道給定空間內有多少分子。氨氣的密度是0.73千克/立方米，硫化氫的密度是1.36千克/立方米，而水的密度則是驚人的1,000千克/立方米——從這裡我們就能看出氫鍵要用多大的作用力才能使水分子之間連結在一起。水的密度這麼大，分子肯定是緊密連結的，緊密連結的分子自由活動的空間小，這個本應是氣體的物質就變成了我們人人皆知、人見人愛的液體了。

分子高度的內聚力使得水具有較高的凝固點和熔點，因而它才能形成我們熟知和喜愛的大海。

其次，水的密度在其成為固體的時候比液體狀態下小。固態水比液態水的密度小。

當一種物質從氣態變成液態再變成固態的時候，它的分子逐漸地聚集在一起——這就是為什麼同樣數量的物質液態時所佔空間大，固態時所佔空間小，甚至比氣態的所佔空間還小。但是在這一點上水又不按常理出牌了，如果你有看過冰山的圖片，你就會知道固態水——冰比液態水的密度更小，所以冰能夠浮在水上。

造成這種現象的同樣是氫分子。水的凝固點是0攝氏度，但其密度在4攝氏度的時候達到最大，隨後水分子在凍結的過程中逐漸分開。在液體狀態下，每個水分子在氫鍵作用下與其他大約3.4個水分子連結，在凍結狀態下，水結晶成為剛性晶格使得每1個水分子與其他4個分子連結。這樣的特性使得其物質本身更堅固，卻會佔用更多空間，形成間隔（自由空間）從而增加了體積，並導致冰的密度大幅下降。

水這樣的特性讓很多水管在冬天的時候爆裂，卻也因此創造了生命的奇蹟。試想想湖面凍結成冰的畫面。如果水像其他所有物質一樣遵循熱脹冷縮定律的話，冰的密度就會比水的密度大，湖水就會從下到上全部結冰。這樣的話，不僅僅是溜冰變得不好玩，而且還會害死在湖裡生活的動植物。現實的情況是這樣的：4攝氏度的湖水下沉至湖底，底部最冷的湖水對流至湖面結冰，所以魚類可以生活在一個（對於它們來說）舒適的環境中，湖面上的天然屏障又能在寒冷的天氣中為它們保暖。考慮到地球上的大部分生命起源於海洋中，我們真的應該非常感恩造物主賦予水的這種奇妙特性。

第三，當水成為氣體的時候會快速擴散，氣態水擴散得極快

前面我們已經談到水的摩爾質量不高卻擁有驚人的液體密度，這就意味著當其從液態變為氣態時體積變化會非常大，已知的最高記錄是體積增加了1603.6倍，事實上，這是除金屬外最高的液氣變化體積差，幾乎是一些特殊氣體的液氣變化體積差的兩倍（氧氣從液態轉變為氣態時，體積只增加了804倍）。

當水加熱的時候，熱能促使分子分開，抵消了氫鍵的作用，這就解釋了為什麼發電廠給渦輪機灌的是開水而不是酒精，即使酒精的沸點更高。另外，水在蒸發時體積的巨大變化讓細水霧在加熱狀態下膨脹為水蒸氣，阻隔了氧氣，從而使得水達到滅火的目的。

表面之下

要不是這些奇特之處，水就再也不是偉大的水了。關於水還有很多可以說的，比如它如何覆蓋地球的大部分表面、如何塑造地形地貌、如何成為地球上一切生命機體的組成物質、如何避免地球過熱等等，這篇文章只是揭露了水的冰山一角。不過我覺得，像水這麼簡單常見的東西都有那麼多看也看不出、想也想不到的奧秘，實在是太不可思議了。

蝌蚪五線譜編譯自zmescience，譯者 April，轉載須授權

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