【原】水合质子的构型

    我们在高中化学学过，单水合质子是氨分子的等电子体，然而，水合质子却并不是传统意义的三角锥构型。经过分子模拟，得到的水合质子并不是你想象中的三角锥型，而是近乎平面三角形的。

    有趣的是，水合质子的有效离子半径仅有100pm，事实上，远小于水分子的分子半径138pm。水合质子也具有和氨分子类似的性质，即可以进行共振，经历一个平面三角形过渡态：

    水合质子还可以和水分子形成更为强劲的氢键——这些氢键的强度可以达到正常水分子间氢键的两倍甚至更多。这也使得质子结合两个水分子成为可能。H⁺ + aq H₃O⁺(aq) (ΔG° = -1112.5 kJ  ˣ mol^-1)

    事实证明，这种氢键已经十分接近对称氢键了，由于其高对称性，这种离子也成为相当稳定的物种。

    现在，我们可以看到，质子的强吸电子能力，使得水合质子不同于其他的阳离子。这种电性作用甚至可以传递，以至于形成高聚的团簇结构。

早在1973年，Kollman就已经发表计算和实验结果，说明水合质子的反转具有比氨分子低得多的活化能，计算具体过程不赘述，只把结果列出来。不想细究的读者可以直接划到后面看结论~~

    最终结论是，H-O-H键角接近113°（氨分子中H-N-H键角仅有107.2°），水合质子比氨分子要“扁平”得多。另外，水滴在电场中很容易获得正电荷或负电荷。水通过不同材料(如玻璃、铜或聚四氟乙烯)的管道时也很容易带一个正电荷。正电荷的大小与材料在电场中的位置有关。水的这一性质使得摩擦起电常常涉及表面的水分子，这种起电方式一个普通的例子是梳头发或者毛皮摩擦玻璃棒。

下面附一张水的相图，想了解更多，可以参考：冰——熟悉又陌生

References：

[1]Nature of excess hydrated proton at the water-air interface Sudipta Das, Sho Imoto, Shumei Sun, Yuki Nagata, Ellen H.G. Backus, and Mischa Bonn;J.Am.Chem.Soc.,Just Accepted Manuscript,DOI: 10.1021/jacs.9b10807

[2]Peter A. Kollman, Charles F. Bender,The structure of the H3O+ (hydronium) ion,Chemical Physics Letters,Volume 21, Issue 2,1973,Pages 271-274,ISSN 0009-2614,https:///10.1016/0009-2614(73)80133-2.

[3]Large-amplitude transfer motion of hydrated excess protons mapped by ultrafast 2D IR spectroscopy;By Fabian Dahms, Benjamin P. Fingerhut, Erik T. J. Nibbering, Ehud Pines, Thomas Elsaesser;DOI: 10.1126/science.aan5144