[新知] 水表面是酸性的
原文刊載於台大化學系系刊 李俊毅譯 蔡蘊明教授校稿
譯自 http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2007/April/26040702.asp
Water's surface is acidic
水表面是酸性的
純水有著酸性的表皮！如此具震撼性的見解現今已被一組國際科學家團隊以實驗及計
算確認。以色列耶路撒冷希伯來大學的Victoria Buch教授及她的合作夥伴發現純水pH值
從主體的7降至與空氣接觸表面的4.8甚至更低，幾乎可說是和啤酒一樣酸。
這項發現可能對許多的學門具有顯著的影響。在大氣層中，微量氣體會在雲中水滴的
表面進行很多重要化學反應。Buch的共同研究者，在捷克布拉格科學院的Pavel
Jungwirth說：「pH值對許多這類反應是必要的因素。」加州柏克萊大學的水專家
Richard Saykally表示：「低的pH值同時也會影響海洋表面吸收二氧化碳的速率。」
在分子生物學中，此影響會在水與蛋白質疏水性部分交界處出現，進而改變蛋白質表
面的酸鹼化學。「界面酸化對蛋白質及膜結構的影響有可能相當巨大。」猶他大學的理論
化學家Gregory Voth說。
經過這幾年研究進行，水表面與水主體不同之處越顯明朗。Saykally和Jungwirth的
研究顯示水溶液所含離子的濃度會在表面升高或降低。但是H3O+離子在空氣與水的界面
累積另有其獨特原因。
Voth教授及其同事於2004年對此現象以量子力學為基礎進行電腦模擬，發現H3O+離
子傾向位在水的表面而非液體深處。水分子通常會與周圍分子形成四個氫鍵，H3O+離子則
只會形成三個氫鍵。H3O+離子中的三個氫可以與其他水分子連結，但是氧原子因為身負大
部分的正電荷，已不再能扮演一個好的氫鍵受體。
因此，Voth研究團隊表示H3O+離子扮演類似兩性物種的角色──同時具有水溶性的
部分及疏水性的部分，如同長鏈脂肪酸一樣。H3O+離子聚集在空氣與水的交界處，氫原
子朝向下而形成氫鍵；相反的，氧原子則指向液體外端。2005年，Saykally及Petersen使
用光譜技術得到水表面具有較多H3O+離子的間接證據。
現在Buch研究團隊有了新證據，他們發現在奈米冰晶表面(具有類似液相表面)重水所
含氘與水分子交換氫的速度是內部的二十倍。而這種轉移仰賴的是H3O+離子的存在。
研究人員同時對表面的酸化有了新的模擬數據，這讓他們更能夠估算pH值。但是Voth
認為這是個簡化模型，因而警告對這項數字不應該過度強調。舉例來說，「他們並沒有考
量H3O+與OH-結合的機率」Voth說。
目前的關鍵問題在於能否有更直接的實驗證據，「我們正努力思考如何去做。」
Saykally說，「不過這可不簡單喔。」
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