水分子的作用力实验 怎样解释水分子极性的实验现象

40多年前，我在读高中时所做过的水分子具有极性的实验，被山东科技出版社重新纳入新版的高中《化学选择性必修2》之中（下图，在原图中我加入了结构式和文字）。

分子极性的实验

通过这个实验的静电吸引结果，可以得出水分子具有极性、四氯化碳分子无极性的结论。这是大家都知道的，但为什么会出现这样的现象？大家或许都会说正、负电荷互相吸引呀。

然而，大家是否思考过：为什么是负电荷吸引水分子的正电荷部分，使水流靠近塑料棒？而不是负电荷排斥水分子的负电荷部分，使水流远离塑料棒呢？

为了解释这个现象，我思考了很久，甚至在本科生的中学化学教材分析课中给出了我的那个很复杂的理论解释，但学生的质疑使我认识到我的解释错了（这就是教学相长！）。

那么究竟该如何解释呢？后来，我终于想明白了，核心还是在于能量最低原理！为什么呢？原理就是：静电荷之间的吸引态是低能量状态，相反，静电荷之间的排斥态是高能量状态。这两种状态及能量相对高低的关系与成键分子轨道、反键分子轨道中有电子占据时的两种能量状态的关系完全一致！

因为电子占据成键分子轨道时，与共价键对应的共用电子对的电子密度主要分布于两个原子核之间，电子密度对两个核的静电吸引作用使原子间形成共价键、释放能量，从而得到低能量状态；相反，反键分子轨道中有电子占据时，共用电子对的电子密度只有少部分分布在两个原子核之间，而绝大部分电子密度则是主要分布于两个原子核除核间以外的其它空间里，结果，在这“其它空间里”的电子密度对两个核的静电吸引作用倾向于把两个原子核拉开，并它们互相远离（破坏共价键），这种状态显然是不稳定的高能量状态。根据能量最低原理，这种状态是不会自发形成的。

有了上述解释，我们便不难理解水分子具有极性的实验结果了。无论靠近水流的外部电荷是正电荷（玻璃棒）还是负电荷（塑料棒），水分子自发选择的流动方向一定是向外部电荷载体（玻璃棒、塑料棒）靠近的方向，这样才能形成具有静电吸引作用的低能量状态以服从能量最低原理，而决不会自发选择远离外部电荷载体、形成静电排斥作用的高能量状态。