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科學家|在科學家的眼里，水為什么被稱為自然界“最復雜”的物質之一？( 二 )


科學家|在科學家的眼里，水為什么被稱為自然界“最復雜”的物質之一？
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冰塊不會沉入水底
除了熱縮冷脹，水還擁有高比熱容、表面張力巨大、熱水比冷水更容易結冰、強大的溶解能力等等特性，這些都是相對于其他物質而言，十分反常的特性。
換句話說，水這種世界上最常見的物質之一，卻擁有世界上最不常見的物理特性，而導致這種種特性的出現的主要原因，很有可能是因為水的量子效應。
水的氫鍵量子效應水的構造其實十分簡單，它的化學式是H2O，由兩個氫原子和一個氧原子組成的一個分子，這兩種元素都是宇宙間十分常見的物質，加上氫元素與氧元素十分容易發生反應聚合成水。
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水的化學式
因此大多數巖石行星剛剛形成的時候都會擁有大量的水分，但是隨著時間的發展，如果地表溫度太低，星球就會被凍成一個大冰球，如果的地表溫度過高，表面的水會被恒星蒸發成水蒸氣，然后被光解還原成氫氧元素。
所以地表上擁有大量液態水在行星中反而是一件十分罕見的事情，只有在穩定大氣層保護下，才有可能保證地面上有液態水的存在。
所以液態水在我們看來可能十分常見，但是在宇宙中水更多的還是以冰的形式存在的，這可能也是為何宇宙中生命出現的幾率那么低的原因。
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地球上的液態水
說回組成水分子的氫氧元素，由于水表現出來的種種反常特性，科學家們一直都努力研究水分子的特殊性，但是一直以來都沒什么收獲，直到量子力學成型后，科學家們才開始將考慮水是否具有量子狀態。
在大家的印象中，水分子是兩個氫元素使用共價鍵連接到氧元素中，它并不是一條真實存在的鏈條，它只是一種比較弱小的力，將三個原子穩定地組合在一起形成一個化合物質。
而水分子與水分子之間也有一個將其連接起來的弱小的力，這就是氫鍵。正是由于氫鍵的存在，水的各種反常特性才會出現。
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水分子之間由氫鍵連接
氫鍵與共價鍵是兩種不同的概念，水分子中氫原子與氧原子是依靠共同運轉的電子才連接在一起的，因為氫原子只有一對電子，在與氧原子組成水分子之后，氫原子的電子就被固定了，所以它的原子核就露出了一部分。
我們都知道原子核都是帶正電的，所以這時水分子中的氫原子就帶正電。而氧原子比氫原子擁有更多的電子，因此即便與氫原子共用電子，它依舊帶負電。所以當多個水分子存在時，水分子中的氫氧原子之間就會產生一種吸力，這就是氫鍵。
氫鍵與共價鍵最大的不同之處在于，它可以輕易地被分離，當我們從一杯水中舀出一勺水時，就有無數的氫鍵被分離，當水被燒開變成水蒸氣時，幾乎所有的氫鍵都會因為水分子的活躍而斷裂，最后水就變成了氣態的水蒸氣。
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氫鍵斷裂
但氫鍵的微弱的吸引力正是水元素具有奇怪特質的原因，比如兩滴互相靠近的水滴會融合成一滴水，還有水面神奇的張力，都是氫鍵在起作用。
科學家們通過研究氫鍵，發現氫鍵這種力的產生，一部分是因為上文所說的正負電極吸引，另一部分則是因為量子效應?？茖W家們發現氫鍵之中的氫原子，會有一定的位置漲落現象。
所謂的量子漲落，說得形象一點其實就是在水分子的氫原子，它會在特定的范圍內不停地瞬間移動。這種量子現象的原理以目前人類的物理理論知識還無法完美地解釋，但是科學家們可以確定的是，正是因為這種位置漲落的現象，讓水分子之間產生氫鍵。