水和冰是我們生活中常見的物質(zhì)之一，通常人們從感性上會認為這兩種物質(zhì)是一樣的，只是從物理角度形態(tài)上來區(qū)分就是液態(tài)和固態(tài)的區(qū)別，從化學(xué)成分上來分析并沒有區(qū)別，化學(xué)式都是H2O。對此，上述兩種看似相同又不同物質(zhì)到底隱藏了哪些更深的“秘密”，他們的拉曼譜圖又有哪些特別之處呢。

水被稱為人類生命的源泉，包括天然水（河流、湖泊、大氣水、海水、地下水等）[含雜質(zhì)]，蒸餾水[理論上的純凈水]，人工制水（通過化學(xué)反應(yīng)使氫氧原子結(jié)合得到的水）。水是由氫、氧兩種元素組成的無機物，無毒，在常溫常壓下為無色無味的透明液體。

水的密度變化主要由分子排列決定。也可以說由氫鍵導(dǎo)致。由于水分子有很強的極性，能通過氫鍵結(jié)合成締合分子。液態(tài)水，除含有簡單的水分子（H2O）外，同時還含有締合分子（H2O）2和（H2O）3等，當(dāng)溫度在0℃水未結(jié)冰時，大多數(shù)水分子是以（H2O）3的締合分子存在，當(dāng)水溫降到0℃時，水結(jié)成冰，水結(jié)冰時幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子為近鄰兩個氫鍵這種排布導(dǎo)致成是種敞開結(jié)構(gòu)，冰的結(jié)構(gòu)中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。

科學(xué)家們通過 X-ray 衍射分析，得出了水是微觀晶體的結(jié)論，具有短程有序性，在短時間內(nèi)可能會產(chǎn)生與冰相似的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1. 水的四面體結(jié)構(gòu)圖

冰的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

冰是由水分子有序排列形成的結(jié)晶，而自然界中的水大部分會以固體冰的形式存在。其中，普遍的存在形式是水分子間靠氫鍵連接在一起形成非常“疏松”(低密度)的剛性六角冰結(jié)構(gòu)(圖1)。每個水分子都能締合另外4個水分子，形成四面體結(jié)構(gòu)，所以水分子的配位數(shù)為4，即每個氧原子周圍存在四個鄰近的氫原子，而氧原子規(guī)則排列在六角晶格上。

圖2. 冰的六角冰結(jié)構(gòu)

冰是無色透明的固體，分子之間主要靠氫鍵作用，晶格結(jié)構(gòu)一般為六方體，但因應(yīng)不同壓力可以有其他晶格結(jié)構(gòu)。密度比水小。

以上描述的水和冰的性質(zhì)當(dāng)中都提到了關(guān)鍵詞“氫鍵”，什么是氫鍵？

氫鍵是一種弱相互作用力，當(dāng)氫離子與電負性較大的原子（如 N，O，F(xiàn)）以共價鍵形式結(jié)合之后，會吸引周圍原子的外層電子，這就會使H變成類似H⁺的結(jié)構(gòu)去吸引其它原子身上的孤對電子，因此，氫原子會在兩個原子之間形成這種類似于共價鍵的結(jié)構(gòu)，叫做氫鍵。

其中，為普遍的存在形式是水中的氫鍵。在離散的水分子中，存在兩個Ｈ原子和一個Ｏ原子，兩個水分子之間就可以形成一個氫鍵。當(dāng)僅存在兩個分子時，簡單的情況稱為水的二聚體，當(dāng)存在多個水分子，例如在整個水體系中，一個水分子有可能會形成多個氫鍵，因為一個氧中有兩個孤對電子，每個孤對電子可以和另一個水分子上的Ｈ形成氫鍵，這樣一來一個水分子多可以形成四個氫鍵，如圖所示。氫鍵對水的晶體--冰的結(jié)構(gòu)影響是非常大的，他可以使冰形成一個六邊形，因此在相同溫度下，冰的密度要小于水的密度，與其它物質(zhì)略有不同。

水和冰的拉曼譜圖對比：

圖3. 冰和水中的H—O鍵振動的特征拉曼信號。

在液態(tài)水的情況下，分子不斷運動，引起相當(dāng)弱的氫鍵的連續(xù)產(chǎn)生和斷裂。水可以被認為是通過氫鍵形成簇的分離的水分子和水分子的混合物。因此，所有貢獻，就存在的氫鍵數(shù)量而言，都有助于H—O振動帶。這導(dǎo)致具有幾乎等同表示的帶的對稱和不對稱區(qū)域的廣譜。發(fā)現(xiàn)每個分子的氫鍵的平均數(shù)為2.75 ，其表現(xiàn)為對應(yīng)于具有三個H鍵的貢獻在3385cm -1處的稍大的強度。

在冰的情況下，另一方面，溫度的降低將加強氫鍵，導(dǎo)致了較弱的H—O鍵，因此會在較低頻率下振動。此外，除了向較低頻率的轉(zhuǎn)變之外，由于在較低溫度下分子間氫鍵的重要性增加，與*H鍵合原子相關(guān)的光譜的下部增強并變得更窄。