2023年USAP美國學術五項全能科學主題說明

2022-23賽季的USAP登場了，今年終於(yu) 輪到了我最喜歡的學科之一，化學。雖然有很多同學已經知道了什麽(me) 是USAP，但我在這路還是想簡答介紹一下。

USAP，全稱美國學術五項全能，是全球中學生參與(yu) 的一個(ge) 團隊協作比賽項目，中國區域每年都有來自各地的知名中學參加，包括清華大學附屬中學，上海外國語大學附屬中學，華南師範大學附屬中學，深圳中學，武外英中，貝塞斯各分校等。這個(ge) 活動以學校為(wei) 單位，每個(ge) 團隊都有6-9位同學，比賽包含文學，科學，藝術，社會(hui) 科學，數學等五個(ge) 項目，每年都有一個(ge) 固定的主題，整個(ge) 比賽以全英文進行，分為(wei) 隊打，學者和榮譽三個(ge) 組別，按照成績來確定獎項。

今年的主題是“破局之路” (The Age of Transformation)，有點大哈，科學部分的主旨內(nei) 容，官方是這樣說的：

講的內(nei) 容以化學為(wei) 主，包括了原子結構，元素周期律和周期表，分子構型，物質的三態變化，以及化學反應的類型等等，給大家看個(ge) 教材目錄：

由於(yu) 篇幅所限，我在這給大家講一個(ge) 點，可能大家從(cong) 未想過，水為(wei) 什麽(me) 在0-100℃會(hui) 存在三種狀態，固態，液態和氣態，這是一個(ge) 非常特別的點，大家想想你們(men) 周圍的物質，還能想到其他常見物質有這個(ge) 屬性麽(me) ？好像很難吧。正是因為(wei) 水的這一屬性，才使得地球上有了不同的氣候和地形地貌，生物才得以生存，所以我今天就來講講為(wei) 什麽(me) 水在常溫下是液體(ti) ，而氫元素和其他元素形成的分子，比如氨氣(NH₃), 氯化氫(HCl)以及硫化氫(H₂S)等都是氣體(ti) 。

眾(zhong) 所周知，水的化學式是H₂O，也就是說，每個(ge) 水分子是由一個(ge) 氧原子和兩(liang) 個(ge) 氫原子組成的，其實，水的分子長醬嬸兒(er) 的：

由於(yu) 水分子的形狀不是對稱的，電子在形成共價(jia) 鍵(covalent bond，如果你不知道什麽(me) 是共價(jia) 鍵我會(hui) 在課上講，但是現在你需要知道這個(ge) 所謂的共價(jia) 鍵bond是一種正負電相互吸引的作用力，中學化學有講)的時候，氧原子爭(zheng) 奪電子的能力更強，所以帶負電的電子更靠近氧原子的一端，所以水分子中氧原子的一端帶負電，相反氫原子的一端帶正電（如上圖）。

這一正一負不要緊，當兩(liang) 個(ge) 水分子靠近的時候，一個(ge) 水分子的正電端就會(hui) 吸引另一個(ge) 水分子的負電端，這種分子之間的彼此吸引稱為(wei) 氫鍵(Hydrogen bond)，水分子之間正因為(wei) 形成了氫鍵才使得分子間的作用力遠大於(yu) 其他同類分子。

化學小白的你又要問了，那跟固態氣態還是液態有啥關(guan) 係呢？先來看USAP教材上麵說的這段關(guan) 於(yu) 三態變化的圖片：

從(cong) 圖中可以看出，分子間作用力越大，分子的排布越緊密，需要越高的能量破壞這種排列。固體(ti) 的分子間作用力最大，所以固體(ti) 想變成液體(ti) (熔化)，往往需要較高的溫度；同理，液體(ti) 想變成氣體(ti) (蒸發)，也需要外來的能量，比如曬衣服會(hui) 變幹是因為(wei) 太陽帶來的熱量使得水蒸發變成水蒸氣。所以液體(ti) 的分子間作用力介於(yu) 固體(ti) 和氣體(ti) 之間。

綜上所述，正是因為(wei) 水分子間存在其他同類分子間沒有的作用力，也就是氫鍵，才形成了水在常溫下保持液態這一特點。

小作業(ye) 時間~

既然這樣，水為(wei) 什麽(me) 常溫下不是固體(ti) 呢？為(wei) 什麽(me) 水結冰要繼續降溫到0℃以下呢？其他的氣體(ti) ，比如硫化氫(H₂S)想要變成固體(ti) 的話，溫度要進一步上升還是下降呢？

以上說的隻是今年USAP科學部分的一個(ge) 小小小小的點，想了解更多內(nei) 容嗎？想看看其他學科嗎？想提升你的語言，擴充你的視野嗎？想跟你的小夥(huo) 伴一起，與(yu) 來自全國甚至全世界的中學生同場競技，代表你的學校和你的隊伍摘金奪銀嗎？我和小夥(huo) 伴們(men) 在USAP課上等你喲！