水分子簇

在化学中，水簇是离散的氢键组合或水分子簇。 许多这样的簇已经通过理论模型（计算机模拟）进行了预测，并且一些已经在各种情况下通过实验检测到，例如冰、大量液态水、气相、与非极性溶剂的稀释混合物以及水合水 在晶格中。 最简单的例子是水二聚体 (H2O)2。

水分子粒子被提议用来解释液态水的一些异常特性，例如密度随温度的异常变化。 水分子粒子也与某些超分子结构的稳定性有关。 预计它们也会在溶解在水中的分子和离子的水合作用中发挥作用。

详细的水模型预测水簇的出现，作为总能量为局部最小值的水分子的配置。

特别感兴趣的是环簇 (H2O)n； 这些已被预测为 n = 3 到 60 存在。研究表明水簇大小的实验结果与 20 个水分子 0.822 nm 图不变量的研究用途有效地生成氢键拓扑和预测水簇和冰的物理性质 . 图不变量的效用通过考虑两个水簇（(H2O)6 笼和 (H2O)20 十二面体）得到证实，它们与水的固相和液相中大致相同的氧原子排列相关。 在低温下，近 50% 的水分子包含在团簇中。随着团簇大小的增加，发现氧与氧的距离减小，这归因于所谓的协同多体相互作用：由于电荷分布的变化，H – 随着水组装体的每次膨胀，受体分子变成更好的氢供体分子。 六聚体 (H2O)6 似乎存在许多异构形式：从环状、书状、袋状、笼状到能量几乎相同的棱柱状。 七聚体 (H2O)7 存在两种笼状异构体，八聚体 (H2O)8 呈环状或立方体状。

其他理论研究预测星团具有更复杂的三维结构。 示例包括类富勒烯团簇 (H2O)28，命名为水巴基球，以及 280 个水分子怪兽二十面体网络（每个水分子与其他 4 个水分子坐标）。 后者直径为 3 nm，由嵌套的二十面体壳组成，具有 280 和 100 个分子。 还有一个增强版本，带有另一个 320 个分子的外壳。 每增加一个外壳，稳定性就会提高。 有超过 700 个水分子的水簇的理论模型，但尚未通过实验观察到。

对散装水中的任何超分子结构进行实验研究都很困难，因为它们的寿命很短：氢键在快于 200 飞秒的时间尺度上不断断裂和重组。

然而，在气相和水与非极性溶剂（如苯和液氦）的稀释混合物中观察到了水团簇。 通过以下方法实现了团簇的实验检测和表征：远红外光谱|远红外（FIR）、振动-旋转-隧道光谱|振动-旋转-隧道（VRT）、Н-NMR和中子 衍射。 发现六聚体在液氦中具有平面几何结构，在有机溶剂中具有椅式构象，在气相中具有笼式结构。 将红外光谱与质谱相结合的实验揭示了 n=(8-10) 范围内的簇的立方构型。

当水是水合物中晶体结构的一部分时，可以使用 X 射线衍射。 使用此方法确定了水七聚体的构象（循环扭曲非平面）。 此外，Mueller 等人还报道了分子式 (H2O)100 的多层水团簇被困在几个多金属氧酸盐团簇的空腔内。

一些模型试图通过假设它们主要由液体内的簇形成来解释水的体积特性。 根据液体的量子团簇平衡 (QCE) 理论，n=8 团簇在液态水体相中占主导地位，其次是 n=5 和 n=6 团簇。 在三重点附近，调用了 n=24 簇的存在。 在另一个模型中，大量水是由六聚体和五聚体环的混合物构成的，这些环包含能够容纳小溶质的空腔。 在另一个模型中，立方水八聚体和两个环状四聚体之间存在平衡。 然而，还没有模型能够再现实验观察到的水的xxx密度随温度变化的情况。