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前沿问题(13)水的结构如何?

(2019-04-06 20:39:16)
标签:

结构元

价和电子

分类: 物理新视点

                       水的故事                                    

                                    晏成和

SCIENCE》杂志,发表了全世界最前沿的125个科学问题 。《科学前沿》在转载时扔下一句话:敢来挑战么?

关于物质物理的的问题有4个,以下按原题号进行阐释、应战。

 6水的结构如何?

 

摘要:水是由一个氧和二个氢的原子相互吸引对方的一个价电子,结合而成的两个连环的结构元,构成了水分子。H2O的价和电子的运转是规律、有序的,除了能够结构成物质,还成就了水的蒸发、凝结、结冰及冰的冷胀等所有特性,还成就了自然界的打雷下雨、青山绿水。

关键词:氢   价和电子  结构元  相变  光合作用

 

水是最普通、最常见的物质。动植物的生存都离不开水、水是生命之源。人们把水的凝固点作为记录温度的零点,并把水的沸点定为100,即把水的相变点作为自然所有物质温度的标尺。

人们知道,水是一个氧、两个氢原子的定组成。为什么必须是这样的结合?水H2O的价电子数之和(1+1+6=8),自然元素周期律是8,在球面能均匀分布的点是8。所以化合物的稳定结合都是使价电子之和达到大自然钟爱的8、或8的整数倍,如,二氧化碳CO24+6+6)、盐、氧化钙等等,水的结构顺应了这个8

 

惰性气体之外的物质,一般是两原子相互吸引对方的一个价电子构成结构元,然后由结构元构成物质。H2O是由一个氧分别和二个氢原子相互吸引对方的一个价电子,结合成的两个连环的结构元,形成了水分子(图一A)。物质的核外电子的运动是规律的,结构元的价电子的运转也是规律有序的,除了能够结构成物质,还成就了水的蒸发、凝结、结冰及冰的冷胀等所有特性。

前沿问题(13)水的结构如何?

 中间红色是氧原子         B 水蒸气示意图  中间红色是氧原子

两个绿色是氢核                      两个绿色是氢核,蓝色是外来电子

黄色是价和电子运转区域             黄色是价和电子球面运转区域

                              图一

 

水以云、雨、溪、河、湖、海、的面目呈现、在自然界循环旅行。

H2O以水、水蒸气和冰的面目在自然界呈现。至今,自然之水的神秘面纱还远没有揭开,人们对水的倩容,既看得见、又看不清;她既楚楚动人,又深邃神秘。我们天天喝的、用的水竟给世人留下这么多的谜:

青山绿水   水为什么绿? 山为什么青?

水为什么在4时密度最大

天空中水蒸气怎样找到同伴,相聚成雨?[1]

下雨天为什么经常产生雷电?[2]

雪花为什么是六边形的?[3]

为什么热水先结冰?

 

青山绿水  教科书告诉我们,水是无色透明的液体。在试管烧杯、在金鱼缸里水的确是无色透明的,但是在干净的江河、湖塘里水却是美丽的绿色,所以,人们常常用青山绿水来描述自然山水。绿色来自哪里?这是由于水分子价和电子运转的速率。纯净水的核外电子速率在5.5 X10^14HZ左右,这正好是绿色电磁波的频率、反射出绿色。少量水的绿色看不出来,水多了颜色聚集起来就呈现美丽的绿色。这正如我们看不到近处空间的蓝色,只能够看到远处天空大量的氮气、氧气聚集呈现的蓝色。

到这里,有人会问:那海水为什么是蓝色的?海水是盐水、是两种物质的化合物,物质在化合中都要提升自己核外电子的速率 ,所以从绿色升到了蓝色。

 

那么树叶为什么是绿色的,难道也跟水有关吗?您答对了!绿色植物的一个最主要的生存活动是光合作用,光合作用要用到阳光、能量、水和二氧化碳。

水的氢氧结合是非常牢固的,其核外电子运转速率正好是绿光的频率。所以树叶必须是绿色才能把阳光中的绿色光反射、集中发射,与水的核外电子的运转形成共振,打开水分子的结构元,分解成氢和氧。氢与二氧化碳中的碳重新结合、制作成碳氢化合物被植物吸收;氧吸取能量形成氧气,这就是光合作用。

 

氧与氢的结合活力四射,本来氢气、氧气各自价电子速率极高、能量很高,化合时剧烈燃烧,释放出了大量的能量。氢、氧结合后达到最低能量稳定状态,价电子速率已经最低,就像碳燃烧成了二氧化碳一样,再也不能向外释放能量。那种说在水中加入少量的物质就能点灯、能开动汽车,显然是骗人之谈。

 

 水的蒸发    

水在常温、空气流通的环境里能够自然蒸发,在高温下沸腾——全面蒸发、形成水蒸气,这些变化都与水分子的构成及其核外电子的运动息息相关。

这里为了作图方便把水分子的两个结构元画在了一条直线上,实际上水的两个结构元像关节是动态的,可以形成大于100°的任意角度。有文献把H-O-H之间的夹角称为“键角”,是117°,这个角度只是偶然得之,活动才是水(液体)的特征。

不稳的电磁力,形成水的内聚力。在水的表面,上十几层结构元沿水的表面连接铺开,构成了水面张力。同时表面结构元所伴生的电磁波会对光波进行折射,形成我们看到的筷子在水面“折弯”的现象。

 

图一A是水的组成基本结构。之前的文章我谈到:固体结构元的价电子围绕两核心在平面运转,液体(水)的价和电子是在黄色区域范围内扭转,所伴生的与电子旋转垂直方向的电磁力不稳、不能形成稳定的固体。在电子转垂直方向的电磁力产生吸引力;电子与电子接近的地方产生斥力。因而水分子是动态地聚集在一起,成链、成团,时合时分(图二A)。由此才能形成墨滴在水中的布朗运动。

温度越高、价和电子速率越高,黄色区域越宽,所伴生的电磁力晃动越大、分子之间的运动加剧,墨滴在水中的布朗运动加快,形成所谓的“分子热运动”。

 

http://image.sciencenet.cn/album/201701/20/1957272uqkw0v0iitelda3.gif

 

       A 水的结构                  B 冰的结构

                        图二  水与冰的结构


   
温度升高,水蒸发时,核外电子速率加大,H2O结构元的价电子的旋转线路扭转的(黄色)区域加宽,直至形成(图一B)所示的全面包围,电磁力消失,电子与电子接近的地方产生斥力。斥力使分子之间推开距离,形成气体上升到空间,形成蒸发。

 

水的凝结  温度低时,天空中的水蒸气的价电子降低速率,运转的线路由橄榄球状到立交,产生破口,形成鼓状(图三B),借破口处的电磁力相互吸引、相聚成云。温度进一步降低,云雾聚集成小水珠,落下来形成了雨。

如果不考虑核外电子在不同温度条件下的运转形式,现代物理学就不可能解读水的蒸发、更不能解释水蒸气如何在天空如何找到同类、如何相聚成云,不能够回答雨的形成。

http://s10.sinaimg.cn/large/001yEWeMzy78qgPrgal99&690                                                 图三

A  水蒸气分子,蓝色表示核外电子线路呈球面包围,对外显现斥力。

B: 价和电子速率降低、价和电子线路由空间球面运转进入到扭曲运转,

球面壳层两端呈现破口,破口处电磁力显现出来。

C: 电磁力让H2O 分子在茫茫分子之间找到同类,并且相聚成雨。绿色为氮、氧等大气中的分子。

 

 水的密度    水在4时密度最大,高于4时,具有一般物质的共性——热胀冷缩,其原理是价和运转的半径在温度高时略有增加。奇怪的是:在温度低于4 时它却反常——冷胀热缩。这是自然在给人类出难题,还是有意露出蛛丝马迹,施展魅力,引人入胜。

在温度降低到4以下时,H2O成链成团的价和电子的速率降低,趋近平面运转,其电磁力方向趋向稳定,准备进入固体状态。电磁力试图把邻近的双连结构元相互联系到相对固定的位置,宏观的表现是粘滞力增大。这样就导致了分子“氢氧氢——HOH”之间的电磁力的对位,使分子结构元间排开位置,为凝固作准备,不象4时或以上时挤在一起,故而占据较大的空间。温度越低,价和运转的线路越平正,电磁力对位越正,分子之间的间隙越大,参入对位排列的分子越多,占据的空间更大。此时就形成了水的冷胀现象。

水结冰  到结冰时,所有的价和电子都在相对固定的平面稳定运转,电磁力更为稳定,使得分子之间进一步的对正位置、排列整齐,所以水结冰冰也是冷胀热缩(图二B)。而且冷胀力量很大,在隆冬,冰常常冻裂了水管、水龙头。正是因为冰的密度较小,浮在水面,保护着冰层以下的生物。

其他的的固体是单一的金属和非金属,其内力分别是电磁力和价和力。它们的结构元之间对位自然整齐,不存在拉开距离对位,所以不会冷胀,仍然保持着热胀冷缩。

冰的电磁力的对位是分子间的,间隔较大,但其实质仍然是电磁力,只不过这是由不同原子经价和运转组合成分子(达到稳定状态)之后所剩余的电磁力,因而这种电磁力要比及金属原子间的电磁力要小得多,这就是文献中所介绍的范德华力。

 

下雨为什么经常产生雷电  雨是水蒸气凝结而成, 由于水蒸气的核外电子要围绕着三核心(两个氢和一个氧)运转,因而水蒸气的价电子进行空间球面运转的路径长,对核心的覆盖难以饱满。导致每个水蒸气分子都有吸纳额外电子趋势。于是,大气中游离的电子总是被水蒸气吸引、吸纳,形成多对价电子围绕3核心的球面运转的水蒸气分子。(图一B)这样,水蒸气就成了大气中容纳游离电子的微型电容。

水蒸气把附加电荷也随身带到了高空。在高空遇到低温,水蒸气的价和电子速率降低,线路由空间球面运转进入到扭曲运转,分子相互吸引,水蒸气凝结,形成由气体到液体的相变。同时,水蒸气早期价电子运转时的加入成分——附加电荷、这多出电子没有了容身之地、被挤出来,形成了云层中的电荷。电子聚集形成了非常规电场——云层里的电压,雨水和天空电压同时产生。

云层是大量水蒸气相变成水汽的集合,因而附近也就聚集了大量的电荷,能形成很高的电压。云层之间、云层与大地之间产生电位差巨大,冲开一条路,形成壮观的闪电现象;高电压电荷在大气中穿行使周边物质的电子发生振动、引起空气剧烈地震动,形成了隆隆的雷声。

201942         整理发表

参考文献

[1]晏成和,雨是怎样形成的?科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-848751.html

[2]晏成和,雷电是怎样形成的?科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-850797.html

[3]晏成和,雪花为什么是六边形的?科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-850021.html

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