How big is 水分子?

水分子是水的最小单位，由一个氧原子与两个氢原子结合而成，化学式写作 H₂O。若按照一个水分子在相邻分子间所占据的空间来计算，其直径约为 0.28 纳米（280 皮米）。纳米是十亿分之一米，皮米是纳米的千分之一。

大小

分子没有坚硬的外表面。它的电子形成一团逐渐稀薄的云状分布，因此其大小取决于测量方式。

水分子中三个原子的中心彼此靠得很近。每个氢原子与氧原子相距约 0.096 纳米，两个化学键之间的夹角约为 104.5 度。这个角度使水分子呈弯曲形状，两个氢原子之间相距约 0.15 纳米。

电子云的范围超出了原子中心所在的位置，因此每个分子实际占据的空间比这更大。科学家通常根据水分子彼此堆积的紧密程度来估算其大小。在液态水中，X 射线测量显示相邻分子中心的距离为 0.280 纳米。另有教科书根据一升水中能容纳多少个分子进行估算，得出约 0.3 纳米的数值。

大小比较

• 约 29 万–36 万个水分子并排，宽度便相当于一根人类头发的宽度，头发的宽度为 0.08–0.1 毫米。
• 如果把水分子放大到网球那么大，一根宽 0.1 毫米的人类头发就会变成约 24 千米宽。
• 铯原子是已知最大的原子之一，直径约为 0.5 纳米，还不到水分子宽度的两倍。

水分子为何相互吸引

氧原子吸引共用电子的能力比氢原子更强，因此水分子中的电子更多地停留在氧原子附近。这使得氧原子一端带有微弱负电荷，氢原子一端则带有微弱正电荷。这种电荷分离的分子被称为极性分子。

异性电荷相互吸引，因此每个水分子都会吸引周围的分子。这种吸引力被称为氢键。氢键使液体表面的水分子相互聚拢，从而产生表面张力。这就是水会在干燥表面上聚成水珠、而不是摊平铺开的原因。

水如何进入细胞

水能通过一种名为水通道蛋白的蛋白质通道，迅速穿过许多细胞的细胞膜。彼得·阿格雷及其同事在人类红细胞的细胞膜上发现了第一个水通道蛋白，每个红细胞携带约 20 万个这样的通道。阿格雷因发现水通道而共同获得 2003 年诺贝尔化学奖。

水通道最窄处宽 0.28 纳米，大小与单个水分子相当。因此水分子只能单列通过，每个通道每秒约有 30 亿个水分子通过。通道狭窄的开口及其内部的电荷会阻挡质子——一种使液体呈酸性的带电粒子——通过。在肾脏中，水通道蛋白帮助人体重新吸收从血液中过滤出的水分的 99%。

参考资料

• Experimental data for H2O (Water). NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database.
• Benchmark oxygen-oxygen pair-distribution function of ambient water from x-ray diffraction measurements with a wide Q-range. Skinner et al., Journal of Chemical Physics, 2013.
• How big are biochemical nuts and bolts?. In Cell Biology by the Numbers, by Ron Milo and Rob Phillips. Garland Science, 2015.
• Inhibitors of Mammalian Aquaporin Water Channels. Abir-Awan et al., International Journal of Molecular Sciences, 2019.
• Aquaporin Water Channels. Nobel Lecture by Peter Agre, Nobel Foundation, 2003.
• The Nobel Prize in Chemistry 2003. Nobel Prize Outreach.
• Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
• Water. In Biology 2e. OpenStax, 2018.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.