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作者:孙亚飞

何谓“小分子水”

但凡对二胡这种乐器有一丝了解的人都不会对“二泉映月”这首曲子感到陌生,尤其是要营造悲伤气氛的时候,这可谓是神曲一首。曲名中的“二泉”是无锡的一个地名,也叫惠山泉。此处虽因瞎子阿炳留下的这首曲子名扬四海,但其名字的由来也是相当有渊源。唐朝茶圣陆羽研究茶叶方面已经是高手了,但自认为还有进步的空间,于是又把泡茶的水也作了排名,最终惠山泉排名第二,此泉千年以来也就一直享有盛誉。

无独有偶,“驴友”皇帝爱新觉罗弘历先生一生对祖国山河研究颇深,也曾心血来潮搞了一次天下泉水的排名,而且相比于陆羽的感性认知不同,他采用了更为“科学”的定量法,将天下泉水的密度进行测定,采用的原理是体积恒定时,根据ρ=m/V,不同物质的质量越大则密度越大。经过“精确”的测量,得出结论认为玉泉山的水最轻,从而判定这里的泉水杂质最少,是最好的饮用水。这个典故在相声里常常被引用,比如于谦的父亲王老爷子就非常讲究地用这种水泡茶喝。

时至今日,我们的生活越来越多地受到一种叫做“现代科学”的文化左右,而我们每天摄入量最大的饮用水自然成为民众关注的对象。

不知道从什么时候开始,“小分子水”的概念在销售和消费两端都显得神乎其神,算算起码也有好几年了。有没有人好奇过这究竟是个什么“天外来客”呢?

“小分子水”的说法首先不是一种科学的说法,很容易引起歧义。学术角度上讲,“小分子”是和“高分子”相对的一个概念,一般来说,分子量小于500的分子被称作小分子,而10000上的则是高分子(也有从5000划分的,其实区别并不大),至于500-10000的就被划分成了过渡区,说白了就是姥姥不疼舅舅不爱的类型,被研究的程度远没有小分子和高分子那么多。

水分子的分子量是18,这初中生都知道,所以它是绝对意义的小分子,就算考虑同位素的问题,3H218O这种分子的分子量也不过区区24而已。所以看上去“小分子水”的说法就是废话一样。

准确的说法其实应当是“小分子团簇水”,这才是对水分子微观状态的描述,实则属于“超分子”的研究领域。“超分子”的概念其实一点都不玄乎,实际就是“超出了分子的界限以外”,一般是通过特定作用聚集在一起表现得好像一个分子一样的多个分子。打个比方就是,如果买房限购令以个人为单位,这就是分子层面上的事;而如果以家庭为单位,则是超分子层面上的事,因为除了单身以外,出现了“夫妻”、“父子”、“母子”以及可能会出现的“蕾丝”和“盖伊”等关系,这些关系因为有血缘或者法律的限制变得稳固。“小分子团簇水”就是一群挨得比较近的水分子组成了一个个户口本,大多数时候它们手牵手,保持动态稳定的态势,而它们维系关系的基础则是分子间作用力,而为了更好地八卦它们之间的那点事,我们还是要把“氢键”专门说清楚。

molecular_structure_H2O

氢键与分子团簇

直到现在,关于“氢键”的学说仍然是存在争议的,不过作为科普来讲,我们还是采用普遍的观点,承认它确确实实是存在的。

所谓“氢键”,是一种特殊的分子间作用力,但它又表现出了化学键的某些特点,所以被称之为“键”。“氢”是排在头一号的元素,当这个第一最大的痛苦就是绝大多数氢原子把中子都扔了而只剩了一个质子在原子核里,如果把外面那个唯一的电子像比基尼一样从氢原子身上扒掉时,你不会如愿看到一具裸体而是一具骷髅,还好另两个同位素氘和氚略微丰满一点。所以当诸如氟、氧、氮、氯这些爱脱别人衣服的流氓和氢连到一起时,可怜的氢就跟拍X光似的,露出了仅有的一颗质子。不过兔子急了也咬人,没有了电子的保护,它们干脆赖到附近其他衣服比较多的原子上抢几件避一避风寒。衣服多得穿不过来的当然还是那几个流氓,所以氢键也只会发生在氢和上面那四种元素之间,不过客观评价,氯由于半径比较大比起第二周期的那哥儿仨还是要老实很多。

好了,现在再来看看我们要说的水。

水的分子式H2O,这已然是妇孺皆知。而氢和氧两种元素在一起自然便很容易形成氢键,所以水分子在液态水体系中并不是孤立存在的,而是通过氢键的作用形成一个个分子团簇。一般来说,氢键仍然被划分为分子间作用力,因为相比于化学键的键能来说,它通常还要低1个数量级。但是分子间作用力没有饱和性和方向性,就跟微观的万有引力一样,一个分子可以和邻近的任意多个分子发生作用,力道与距离有关而与方向无关。但是氢键不同,一个裸露质子的氢原子只能再和一个富电子原子发生作用,并且方向倾向于直线,这样也就导致这些水分子形成的一个小团队不会无限放大,否则液态水就表现出超高分子的特性了,一般也就是从几个分子到几十个分子那么大。由于水会发生微弱的电离生成氢离子和氢氧根离子,所以这些分子团簇偶尔还会带上电荷,形成诸如H9O4+、H33O16+、H19O10-之类的离子,这样就会形成静电作用,进一步控制了水分子无限拉帮结派。

氢键形成的超分子不如配位作用形成的超分子那么稳定,例如明星配体NH3和BH3的结合体H3N·BH3在化学反应中的表现与简单分子无异,甚至其稳定性也不如缺电子体形成的超分子,例如硼烷和气相三氯化铝(AlCl3)2等,所以氢键的断裂与重建是一种快速的动态平衡作用,常温下也能持续进行。

“小分子团簇”有多少个水分子?

回答这个问题之前首先要知道用什么方法来测定“小分子团簇”的规模。这个,要说除了我们万能的核磁之外还能是什么呢?

对很多人来说,核磁是医院里的高级货,可以确诊很多怪病,所以只要沾上“核磁”一定是高科技,因此不知多少无良商人用“核磁”的字眼赚得个盆满钵满。不过科研中核磁几乎是必备仪器,国内高校的化学学术水平基本与核磁的频率成正比。其实用核磁确认“小分子团簇”规模的原理并不算太复杂,比一般的1HNMR还要简单。因为不同水分子团簇的平均数目反映到核磁矩上的区别就是弛豫时间的差异,而弛豫时间对应的核磁图谱参数是波峰的宽度,所以目前测定水分子团簇个数的方式就是对测定对象扫一下17ONMR。之所以针对17O扫谱是因为它的丰度还马马虎虎而不像3H那样扫不出来,而且它显示的幅度比2H宽很多有利于比较,尽管1H是不错的同位素,可惜实在丰度太高以至于噪声把信号都掩盖了,至于16O和18O,这是两个非磁核矩的物种,拿到太空中也扫不出个峰来。如果要问什么是弛豫时间,可以想象一下从20层楼跳下来释放势能的过程,到达地面前的那一段时间就是一种宏观意义的弛豫时间。

技术上的事就说这些了,太没意思。总之最后的结果显示,核磁波峰的宽度越窄,分子团簇中的分子就越少;反之则分子数目就越多。研究者大致论证,当宽度在60Hz时,大约对应着10个以下;而宽度达到100Hz以上时,则对应着30-40个。

一些谈论“小分子水”的消费者或者导购认为“小分子水”是最纯净的水,但实际上纯净水比自来水的“分子”要大,因为纯净水的波宽大约120Hz,而不同地区的自来水略有区别,一般小于100Hz。

怎样把“大分子水”打成“小分子水”

终于说到正题了(这作者实在太罗嗦了)。

其实前面讨论“氢键”就是为了说明怎样才能形成“小分子团簇水”,因为形成“小分子水”实则是对水体系中氢键的破坏。

具体操作的话一般有两种方法,加入杂质或者是加热。为什么自来水比纯净水显示其分子团簇更小,就是因为自来水中存在很多Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-之类的离子,正是这些离子与水之间的作用最终破坏了氢键,打散了“大分子水”。

目前已经有研究证明,离子对水分子团簇的影响非常直接,并且阳离子是提高团簇程度,而阴离子则相反。不同离子的促进作用区别很大,每种离子基本也是独立影响。例如Cu2+和Al3+这类的离子提高作用很明显,以至于很小的浓度就使得波谱过宽无法测定,而Na+、K+之类的作用就不是很明显,这和它们的水合能力直接相关。而阴离子方面,Cl-可以明显地拉低团簇作用,SO42-则温和很多。利用这个原理,用不着去巴马这样的长寿村,自己撒把盐到水里也一样能创造出“小分子水”,一点也不稀奇。

除了离子作用以外,温度也是一大影响因素。分子运动越快,越不利于氢键的形成,所以加热之后也可以将超分子打散,到了100℃时,液态水和气态水平衡,此时的水分子团簇接近单分子,通常不超过4个分子。

另外一个不得不说的因素是磁场。磁场对水具有特定的作用这是很早就被发现的物理现象,但是分子层面的原理并无明确解释,有一种说法认为是水分子因为磁场能而解离为“小分子水”,但科学界支持这一观点的并不多,因为磁场能远小于氢键的键能,不足以将液态水维持在高势能的“小分子水”状态。磁化水可以降低锅炉的结垢作用,这一点已经被工业上应用,并且国外磁化技术作为生活用水的净化技术已经有了二十多年历史,尤以奥地利的约翰格兰德(Johann Grander)的技术出名,不过与国内宣传磁化水可以治疗疑难杂症不同,国外对磁化水更多的宣传是洁净。至于磁化水是不是真的那么神奇,这里就不再多探讨了。

总之,形成“小分子水”的确定因素是离子浓度和温度,可能还有磁场的因素。

“小分子水”能治百病?

其实说到这里,这个问题已经是不言而喻了。

“小分子水”概念的兴起与巴马这个超长寿地区有很大关系。然而从很多地区测定的结果来看,巴马的“小分子水”并非独一无二,一般多火山地区的水由于溶解了较多矿物质,核磁的波宽都比较小,都属于所谓的“小分子水”。如果分析长寿的现象可以发现,这些地区的长寿现象确实更常见一些,但却并非所有的这类地区都长寿,甚至有些地区的水中矿物质含量也很丰富,却由于诸如氟或铅之类的离子天然就超标,平均寿命还比较短。

客观来说,巴马地区的水质由于富含钾、锶等离子,确实有益于身体的健康,但所谓“小分子水”只是因为这些阳离子以及与之抗衡的阴离子共同作用的结果,而非对身体有益的原因。还是之前说的那个例子,往水里撒把盐也能变“小分子水”,可是矿物质太不均衡,对人体没有什么帮助。再者,均衡的矿物质也不是长命百岁的唯一原因,更别说治百病了。

“小分子水”比一般的水更容易吸收的说法也是没有科学依据的,原因很简单,因为我们身体的细胞膜不是滤网,它既可以放一些大分子进去,但封闭起来时,连钠离子这么小都钻不过去,所以并没有证据可以说明小一些的分子比大一些的分子更容易进入细胞中被人体吸收。到目前为止,鼓吹“‘小分子水’更容易被吸收”这一说法的专家们并没有提出相应的测定数据,那么从逻辑上只能判定不存在这一过程。

至于市场上有些杯子可以“制造”出所谓的“小分子水”,如果寻找个安慰自然无所不可,有些矿石杯未必就没有效果,但拿石头来泡水也不是没有风险,因为在巴马,水中矿物质之所以平衡,是溶解了很多矿石之后综合得到的离子浓度,而对于特定的一块石头来说,说不好赶上是朱砂矿或是红丹矿也没准。而且拿石头保健本来也不是什么新鲜事,中国人引以为傲的陶瓷其实和矿石没什么差别,玻璃也算是一种特殊的石头,一块石头磨成杯子的形状就能让人趋之若鹜实在令人匪夷所思。

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题图出处:www.way-ya-go-alkaline-water.com

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45 Responses to ““小分子水”真的能包治百病吗?”

  1. ttt说道:

    弘历还干过这种事?

  2. 我是帅比。说道:

    我是帅比。

  3. stampid说道:

    我相信,非化学系的同学们没几个人能把这篇文章真正读明白,虽然作者已经尽力写得有趣一些了。
    化学系的....本来就不用看吧。
    这么写也不是不好,毕竟不排除有感兴趣的会想多了解一些。不过建议还是像有些文章那样把归纳出的结论性语句在文中粗体显示或是文末加以总结。

    • 路人甲说道:

      化学系的也未必能对这篇文章的任何一个技术细节都非常清楚吧

    • 当当当说道:

      这有什么好看不明白的。无非就是先说小分子水是一个伪概念,然后说核磁是一项普通技术,“大分子水”要变成“小分子水”的外因无非是离子浓度和温度,可能磁场也有效。小分子水更易吸收目前没有人举出证据。片面的想用矿物质来制造小分子水可能带来意想不到的恶劣后果。

  4. 路人甲说道:

    给个核磁测定团簇的参考文献吧

    • 孙亚飞说道:

      用_17_O核磁共振研究液态水的团簇结构_李福志,环境科学学报,2004年1期,6-9

      • 路人甲说道:

        >而水的团簇结构越大,氧核或氢核与邻近核之间自旋状态的交换就越快
        为什么?

        • 孙亚飞说道:

          这个问题我没有专门去查过文献,只是直接引用了,不过个人觉得应该还是比较好理解;超分子是分子用超出范德华力的作用力形成的集合,而分子是原子用化学键形成的集合。如果放大到天体尺寸,原子好比地月系,分子好比太阳系,超分子好比银河系;系统包含的内容越多,内能就越大,内部交换也越快。只是比喻而已了,微观结构中,大共轭结构应该可以参考。

          • 路人甲说道:

            银河系里东东多了,冷的彗星,热的中子星表面。。。

  5. 路人甲说道:

    >氢键形成的超分子不如配位作用形成的超分子那么稳定,例如明星配体NH3和BH3的结合体H3N·BH3在化学反应中的表现与简单分子无异,甚至其稳定性也不如缺电子体形成的超分子,例如硼烷和气相三氯化铝(AlCl3)2等,所以氢键的断裂与重建是一种快速的动态平衡作用,常温下也能持续进行。

    有什么定量依据说常温下也能持续进行吗?这里的描述都是定性的,多不稳定,多快速,怎么知道的?

    • 孙亚飞说道:

      大多数研究都是基于核磁与红外两种仪器分析法,原理是,因为对于特定化学反应而言,根据阿累尼乌斯方程,温度是动力学速度的唯一变量;温度越高,反应速度越快,所以当两种互变结构变换的速度越快,就需要将温度降低到更低才能在波谱中显示不同的峰。
      举个简单的例子,就是乙烷的各种构象体可以在低温时发生“冻结”,这也就说明不同构象间的活化能很低,互变的过程很快,但是像氯化铝双分子结构,与氯化铝单分子之间只有较高温度时才会出现快速平衡以至于无法从波谱中去区分;氢键缔合与解离是在常温下就能进行,红外波谱上对酸和醇在3000cm-1以上的地方出现的那一大波就是明证,低温时则会出现尖峰

      • 路人甲说道:

        虽然除了负活化能的情况,化学反应是温度越高越快,但我的问题是如何知道"常温下也能持续进行吗",需要知道常温下可以有一个充分快的速度。你的答案是说常温下动态平衡的进行是通过对高温和低温的谱线宽度来判断的?但是实验家面对的仅仅是仪器上给出的一堆峰,要排除(a)高温动力学产物低温热力学产物,实际上高低温分析的是两个化学反应 (b) 多普勒展宽带来的影响?

        • 路人甲说道:

          >谱线宽度
          我的意识是说一大波vs尖峰

          • 孙亚飞说道:

            由于参考文献都是中文文献,可能调查得还不够全面~
            从查阅的资料来看,目前对于不同结构共振的速度定量测试的实验开展得很少,我猜想以目前人类的仪器制造水平,可能很难把共振体的某一个异构体完整的信息捕捉出来,就好像我们现在看电视一样,肉眼看上去是一个画面,是一个综合的影像;但如果眼睛的分辨率扩展10倍,我们应该就会看到马赛克,可以准确地描述确定的点是什么状态。对于氢键这一结构而言,我们其实也只有一些基本的参数,如键长、键能等,对于氢键在不同分子间于常温下快速交换的事实,目前我没有查到直接的科学数据,红外波以及核磁去峰可能是最接近真相的常规实验方法,但的确不是像我们用高倍显微镜分析电视屏幕那么直观。而对于您提出的两个问题:1、反应在高低温都相同,这是分析的基础,如果反应不同肯定就无法推演,但化学上可以用热力学知识去确定,不过同样不是直接证明;2、默认多普勒展宽在不同温度条件下形成的噪声影响是一致的。总结就是,目前快速动力学的研究水平虽然号称是飞秒级,但不是对所有反应都能准确捕捉,因此我们目前只能借助于其他证据旁证。如果还用电视的例子,我们或许没有显微镜去放大展示马赛克以证明屏幕是一个个小色块组成,但可以拿一个分辨率极低的屏幕来反证,不直接但也接近事实。

          • 王世鑫说道:

            写得很好,就是要让科学普及大众。

  6. OK说道:

    非化学系的,表示没有完全读明白.
    但是道理还是明白了七七八八的.
    以上是电子系屌丝观后感.

  7. 云隐志说道:

    于谦的父亲不是赵老爷子么……

  8. darki说道:

    哲学系的居然表示看懂了。看来化学还是比较简单的吧^_^

  9. 姬发说道:

    个人感觉这篇文章有点晦涩,有一定化学背景的我看的都很吃力。中间那段氢键与化学键的比较、核磁对象的选择完全可以删掉,普罗大众看不懂,也没必要懂。只需要简单告诉他们“水由于氢键的原因能形成团簇,但不能无限扩大”、“核磁波峰越窄,团簇越小”就行了。

  10. 李小龙说道:

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  11. sanzi123说道:

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  12. Anubis说道:

    看到大量化学狗的出没,表示很欣慰

  13. versugw www.kuaipu.com.cn说道:

    各有各的说法

  14. Illusiwind说道:

    "最终惠山泉排名第二,此泉千年以来也就一直享有盛誉。"所谓千年老二是也……

  15. 路人乙说道:

    小分子水”比一般的水更容易吸收的说法也是没有科学依据的,原因很简单,因为我们身体的细胞膜不是滤网,它既可以放一些大分子进去,但封闭起来时,连钠离子这么小都钻不过去,所以并没有证据可以说明小一些的分子比大一些的分子更容易进入细胞中被人体吸收。
    这句话觉得有问题,水和钠的吸收通道不通,能拿来比较吗?比如细胞膜上存在水通道。

    • imorz说道:

      这个例子是“小一些的分子比大一些的分子更容易进入细胞中被人体吸收”的反例。
      可以说明这个观点是错误的。

      它并 没有 借此说明“‘小分子水’比‘大分子水’更容易被吸收”。

      • 孙亚飞说道:

        刚刚看到,多谢兄弟帮我回答了;
        “路人乙”说的对,水和钠不能拿来比较,这不是更说明细胞膜对分子的吸收是一件复杂的过程了么,所以绝对不是像某些人想当然的那样分子越小越容易被吸收;我在文中不是要解释水是如何被吸收的,只是说明这个说法很幼稚,而且这个说法也确实没有相关证据。

  16. 明航说道:

    真的没看懂,法学专业的孩纸路过。

  17. shelll说道:

    虽然不是化学系的,好歹也是理科生,看看还是没问题的

  18. the0world0tree说道:

    这论文写得……其实还是可以的。为了使那些化学知识不够的人了解原因,作者下了很大功夫

  19. 人民教师说道:

    还是看懂一点,其实很多产品都是打着科学的头号故作神秘,比如以前说的加氟洗衣服,脑白金什么的原料都是普通的,便宜的,真正厉害的不是做科学的,而是企业家。

  20. 圓月彎刀说道:

    二泉者,二弦也;
    映月者,心声也;
    用二胡表达瞎子阿炳的心声,
    故凄凉哀婉。

  21. 武汉肿瘤99kys.com说道:

    水分子的分子量是18,这初中生都知道,所以它是绝对意义的小分子,就算考虑同位素的问题,3H218O这种分子的分子量也不过区区24而已。所以看上去“小分子水”的说法就是废话一样。

  22. 林炜伦说道:

    钠离子比单个水分子要小?

  23. 林炜伦说道:

    考虑放射性的氧-28和氢-7,水分子也只有56啊

  24. 黒雾永夜说道:

    我原来一直以为所谓的小分子水是指的重氢超重氢水的比例低的水,好吧

  25. 卧竹轩主说道:

    作为老药学工作者,也是多年在健康领域打架者,感觉这文章写得比俺好很多!

  26. 魏知说道:

    作者已经尽量写的有趣了,条理清晰,支持一个

  27. 闲潭一梦说道:

    作者还是花了很大功夫尽量写得浅显易懂。但稍微有点瑕疵,站在化学的角度上来说,其实作者最后一段稍稍有点不够严谨。石头并不是一个特别简单的概念,其组成结构导致不同石头有差异,虽然我没见过这种石头磨成的杯子,但是不排除其矿物比例比较好,或者有磁化作用。严格上说,可能它还是有一定保健作用的,但是不是和小分子水有关就不可知了,而且个人也觉得小分子水并不是主要原因。

    另外,作者还可以考虑下体外和体内的不同。毕竟人体胃中pH和肠道中又不一样。水团簇大小主要还是取决于氢键,而正如作者所说,氢键会被其他路易斯酸碱(文中的矿物离子)破坏,而胃液中本身含大量H+,本身就一定程度上会改变水的团簇大小(按文中的理论应该是变小)。
    还有一个原因,作者讨论到的通道问题,其实水通道的结构表明,水只能是单个分子进入,即在水分子通过通道前,其团簇本身就被打破。
    最后,从严谨的角度考虑,小的分子团簇可能会减缓某些物质的吸收或者加速某些物质的排出,仅仅作一个设想:从色谱的角度来看,假如人体本身是固定相,而水作为洗脱相,则其中团簇的大小对洗脱效果可能存在影响?因为水通过人体消化道的时间相对是固定的,而胃肠道对物质的吸收还是有不同的,比如对健康不友好的A物质在胃中吸收快,而在肠道中吸收极慢,甚至不吸收,那么如果团簇的大小可以影响A的吸收速率,那么总体会不会出现这样一个情况:假如影响结果是变慢,而总体的结果是对A的吸收显著降低。当然,这种假设可能对总体的影响不是特别大。

    最后,祝作者在剥坚果的道路上越走越远!

    • 孙 亚飞说道:

      矿石的那一段,其实我是承认矿石杯“未必没有效果”,可能会因此溶解矿物质,但不值得去过分追求;其他的问题主要是作用机理,我原先写此文的目的是为了说明”小分子水“的概念是伪科学,如果这个概念都没有,讨论小分子水的作用机理就没有意义了。水在身体中的吸收过程是一个非常复杂的过程,要真正回答您的问题,尚需要生物学家的持续努力

  28. 南风太古心说道:

    其实之所以会有五花八门的伪科学,还是因为水的结构至今还没有一个完全的解释,水的团簇究竟有多大?界面水、疏水基团周围的水结构和液态水有多大区别?这些问题至今还是未知的。借用科普作家Philip Ball的话:“没有人真正了解水,承认这一点很难为情,但是这种覆盖了我们地球三分之二的物质仍然是个谜。更糟的是,我们研究的越多,积攒的问题越多:新的技术更深入地探测液态水的分子构造,同时产生了更多谜题。”

  29. Mars.CN说道:

    不明觉厉,还是认认真真的看完了

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