水如何导电?这谜底终于揭开

水是一种电导体,这是在科学课上都会教的一个基本常识——当然这也是为什么水系神奇宝贝怕放电类型的。但说实在的,尽管水导电的现象看似很简单,但200多年来,没有人能够在原子层面上解释水是如何导电的。

有趣的是,虽然在周围世界看到的水都是良电导体,在实验室之外很罕见的超纯水实际上不导电,因为它缺乏自由电子。但是,在自然界中,几乎所有的水都会与沉积物和矿物质混合,从而电离水分子并使之导电。

但一直以来,科学家还没办法解释质子(氢原子核)本质上是如何在水中移动的。在化学和生物学中,这个基本过程还未有一个强有力的解释。直到现在,由耶鲁大学化学教授Mark Johnson领导的一组研究人员首次对水分子中发生的电子转移拍摄了光谱快照,终于揭开了水如何导电之谜。

科学家终于知道水的导电过程是水分子通过氧原子将质子从一个水分子转移到另一个水分子,就像分子接力赛一样。水分子的导电过程被称为格罗特斯机理,化学家特奥多尔·格罗特斯于1806年首次对此进行了描述,两百多年之后终于在原子层面上得到了解释。下图是水分子导电的机理图:

红色为氧原子,灰色为氢原子

多年来在分子水平上研究水的化学性质为Johnson的团队提供了一个优势。他们能够冻结化学过程,得以捕获分子的瞬态,从而揭示由于格罗特斯机理导致的结构变化。

为了提高图像的清晰度,研究人员只使用了5个“重水”分子(由氢的同位素氘和氧组成的化合物),然后将之冷却至接近绝对零度(零下273.15摄氏度)。这样,一切过程都被放慢,质子运动的图像也就能变得更加清楚了。

本质上,科学家发现的是一种罗塞塔石碑(解释古埃及象形文字的可靠线索)。这提供了关于水及其导电性能的新见解,而此现象是地球上许多化学反应的一部分。

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