在库特·冯尼古特(Kurt Vonnegut)的小说《猫的摇篮》冲,物理学家菲利柯斯·霍尼克(Fellx Hoenikker)博士发明了冰-9。这是一种极其危险的固态水,它在45℃的高温下仍能保持冻结状态。在小说中,一个冰-9籽晶开启了一系列的连锁反应,把地球上所有的液态水都变成了冰,地球变成了一个没有生命的“蓝白色珍珠”,这简直就是《冰雪奇缘》里艾莎公主的魔法。
冰晶家族的“九金刚”冰IX(冰-9)真的会毁灭地球吗?
这些看似神秘的冰晶,其实源于自然界中一种最普通的分子——水分子。
冰晶真身:水分子
水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的。氢元素是自然界中最简单的元素,它的原子核内只有一个质子,原子核外有一个电子。对于氢原子来说,失去或得到一个电子,都能让它达到稳定状态(没有电子或电子轨道上有两个电子)。
氧原子核内有8个质子,核外有8个电子。第一层电子轨道上有2个电子,另外6个电子排布在第二层电子轨道上。根据核外电子排布规律,第二层电子轨道上排布8个电子为稳定状态。对于氧原子来说,它需要获得额外的两个电子才能达到稳定状态。因此,氧原子具有吸引电子的能力,总想去外面捕获电子。
当氧原子与氢原子发生反应时,氧原子和氢原子都想从对方获得电子,双方相持不下。最后,一个氧原子与两个氢原子达成了协议,各自拿出一个电子配成一对,双方共享。于是,氢原子“拥有”了2个电子,氧原子通过与2个氢原子共享电子,它的外层电子就“拥有’了8个电子。氢和氧都达到了各自的稳定状态,从而生成了和谐的水分子。
下图这个水分子模型里,一个氧原子和两个氢原子结合在一起,看起来就像迪士尼动画里的米老鼠。把它们捆绑在一起的“协议”或者说“力”,在化学中叫作“共价键”。在这个和谐稳定的水分子中,氧原子个子大,占点便宜,氢原子个子小,吃点亏。以此造成的结果是:“米老鼠”的两只“耳朵”(氢原子)是带正电的,"米老鼠”的“嘴巴”附近是带负电的。如果我们让“米老鼠”转身180°,会发现它的后面还有一张“嘴”,也带负电!这只“米老鼠”居然是从“两面国”里米的,有两张“嘴”。