正四面体的性质二级结论（46. 水的微观结构是怎样的？）

水是地球上不可或缺的物质资源，是生命存在的基础保障。地球被水覆盖的面积为70%，而重量的60%-75%也是由水组成。对于人类而言，即使可以一个月不吃饭，但三天不喝水就无法生存。人类对于水的依赖和研究历史悠久，从未间断。

图1展示了地球水资源和中的水的重要性。水因其特殊的物理和化学性质，如溶解性强、比热大、物态变化丰富等，在生命中扮演着重要角色。这些性质都源于水的微观结构。

图2展示了水分子的组成及其微观堆积结构。一个自由的水分子由两个氢原子和一个氧原子组成（H2O）。两个氢原子和氧原子之间的化学键夹角约为105度。这种分子构型导致水分子具有极性和浸润性，成为万能溶剂。水分子间通过“氢键”相互作用，形成非常丰富的堆积形式，使得水的微观结构具有复杂的局域构型。

这种复杂的微观结构造成了水拥有许多特殊的物理化学性质，例如多相共存现象、液体密度大于固体密度、高比热容、黏滞性随压力变化等。这些反常性质都与水分子的微观结构密切相关。

目前，科研人员对于水分子的微观结构进行了深入研究，特别是第一配位结构的问题，即一个水分子周围到底有多少水分子与其形成氢键配位。这个问题引发了广泛的争议。研究表明，水分子的局域构型在液态下非常复杂和随机。从冰的结构来看，一个水分子与周围四个水分子形成正四面体的氢键配位结构。在液态水中，这种四面体结构并不是一成不变的，而是在不断产生和断裂中迅速改变。

近年来，科研人员利用X射线吸收光谱和拉曼光谱等方法，对液态水中水分子的排列方式进行了研究。结果表明，从室温到较高温度范围内，大部分水分子周围的紧密结合分子数并不是四面体配位的四个，而是两到三个。这一结果引发了关于水分子周围构型的争议。尼尔森课题组推测水分子周围的构型可能是环或圈状的结合模式，而斯坦利课题组则指出这可能是液态水中氢键网格动态解离时的瞬态结构。无论如何，真实宏观平均结构应该是每个水分子能形成大约3.3个氢键。这表明四面体结构仍然是液态水分子的主要微观构型之一。但到底是四面体结构还是环状结构或其他形式仍存在争议。但可以确定的是由于氢键相互作用很弱液态水分子之间氢键存在快速形成和断裂的动态过程这为水的特殊物理性质提供了复杂多变的微观背景。除了对水分子的微观结构的研究外还有许多关于水的科学问题尚未解决例如水的结晶过程的微观细节以及在不同极端条件下水的结构和性质的变化等。（部分参考文献：Nat. Commun. 6, 8998 (2015)）总之虽然人类关于水的认识已经逐渐深入但是对于这个熟悉而重要的物质还有很多微观过程和机制尚待解析和探索。图4展示了水分子的微观堆积和水的反常热力学性质之间的关系；图5则是关于水分子氢键连接和断裂的模拟动画；图6展示了水分子在不同物态下的分子构型变化。（注：图片仅供参考）