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水和冰是我們生活中常見的物質(zhì)之一，通常人們從感性上會認(rèn)為這兩種物質(zhì)是一樣的，只是從物理角度形態(tài)上來區(qū)分就是液態(tài)和固態(tài)的區(qū)別，從化學(xué)成分上來分析并沒有區(qū)別，化學(xué)式都是H2O。對此，上述兩種看似相同又不同物質(zhì)到底隱藏了哪些更深的“秘密”，他們的拉曼譜圖又有哪些特別之處呢。

水被稱為人類生命的源泉，包括天然水（河流、湖泊、大氣水、海水、地下水等）[含雜質(zhì)]，蒸餾水[理論上的純凈水]，人工制水（通過化學(xué)反應(yīng)使氫氧原子結(jié)合得到的水）。水是由氫、氧兩種元素組成的無機(jī)物，無毒，在常溫常壓下為無色無味的透明液體。

水的密度變化主要由分子排列決定。也可以說由氫鍵導(dǎo)致。由于水分子有很強(qiáng)的極性，能通過氫鍵結(jié)合成締合分子。液態(tài)水，除含有簡單的水分子（H2O）外，同時(shí)還含有締合分子（H2O）2和（H2O）3等，當(dāng)溫度在0℃水未結(jié)冰時(shí)，大多數(shù)水分子是以（H2O）3的締合分子存在，當(dāng)水溫降到0℃時(shí)，水結(jié)成冰，水結(jié)冰時(shí)幾乎全部分子締合在一起成為一個(gè)巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個(gè)氧原子有四個(gè)氫原子為近鄰兩個(gè)氫鍵這種排布導(dǎo)致成是種敞開結(jié)構(gòu)，冰的結(jié)構(gòu)中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。

科學(xué)家們通過 X-ray 衍射分析，得出了水是微觀晶體的結(jié)論，具有短程有序性，在短時(shí)間內(nèi)可能會產(chǎn)生與冰相似的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1. 水的四面體結(jié)構(gòu)圖

冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

冰是由水分子有序排列形成的結(jié)晶，而自然界中的水大部分會以固體冰的形式存在。其中，普遍的存在形式是水分子間靠氫鍵連接在一起形成非常“疏松”(低密度)的剛性六角冰結(jié)構(gòu)(圖1)。每個(gè)水分子都能締合另外4個(gè)水分子，形成四面體結(jié)構(gòu)，所以水分子的配位數(shù)為4，即每個(gè)氧原子周圍存在四個(gè)鄰近的氫原子，而氧原子規(guī)則排列在六角晶格上。

圖2. 冰的六角冰結(jié)構(gòu)

冰是無色透明的固體，分子之間主要靠氫鍵作用，晶格結(jié)構(gòu)一般為六方體，但因應(yīng)不同壓力可以有其他晶格結(jié)構(gòu)。密度比水小。

以上描述的水和冰的性質(zhì)當(dāng)中都提到了關(guān)鍵詞“氫鍵”，什么是氫鍵？

氫鍵是一種弱相互作用力，當(dāng)氫離子與電負(fù)性較大的原子（如 N，O，F(xiàn)）以共價(jià)鍵形式結(jié)合之后，會吸引周圍原子的外層電子，這就會使H變成類似H⁺的結(jié)構(gòu)去吸引其它原子身上的孤對電子，因此，氫原子會在兩個(gè)原子之間形成這種類似于共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)，叫做氫鍵。

其中，為普遍的存在形式是水中的氫鍵。在離散的水分子中，存在兩個(gè)Ｈ原子和一個(gè)Ｏ原子，兩個(gè)水分子之間就可以形成一個(gè)氫鍵。當(dāng)僅存在兩個(gè)分子時(shí)，簡單的情況稱為水的二聚體，當(dāng)存在多個(gè)水分子，例如在整個(gè)水體系中，一個(gè)水分子有可能會形成多個(gè)氫鍵，因?yàn)橐粋€(gè)氧中有兩個(gè)孤對電子，每個(gè)孤對電子可以和另一個(gè)水分子上的Ｈ形成氫鍵，這樣一來一個(gè)水分子多可以形成四個(gè)氫鍵，如圖所示。氫鍵對水的晶體--冰的結(jié)構(gòu)影響是非常大的，他可以使冰形成一個(gè)六邊形，因此在相同溫度下，冰的密度要小于水的密度，與其它物質(zhì)略有不同。

水和冰的拉曼譜圖對比：

圖3. 冰和水中的H—O鍵振動的特征拉曼信號。

在液態(tài)水的情況下，分子不斷運(yùn)動，引起相當(dāng)弱的氫鍵的連續(xù)產(chǎn)生和斷裂。水可以被認(rèn)為是通過氫鍵形成簇的分離的水分子和水分子的混合物。因此，所有貢獻(xiàn)，就存在的氫鍵數(shù)量而言，都有助于H—O振動帶。這導(dǎo)致具有幾乎等同表示的帶的對稱和不對稱區(qū)域的廣譜。發(fā)現(xiàn)每個(gè)分子的氫鍵的平均數(shù)為2.75 ，其表現(xiàn)為對應(yīng)于具有三個(gè)H鍵的貢獻(xiàn)在3385cm -1處的稍大的強(qiáng)度。

在冰的情況下，另一方面，溫度的降低將加強(qiáng)氫鍵，導(dǎo)致了較弱的H—O鍵，因此會在較低頻率下振動。此外，除了向較低頻率的轉(zhuǎn)變之外，由于在較低溫度下分子間氫鍵的重要性增加，與*H鍵合原子相關(guān)的光譜的下部增強(qiáng)并變得更窄。