2023年USAP美国学术五项全能科学主题说明

2022-23赛季的USAP登场了，今年终于轮到了我最喜欢的学科之一，化学。虽然有很多同学已经知道了什么是USAP，但我在这路还是想简答介绍一下。

USAP，全称美国学术五项全能，是全球中学生参与的一个团队协作比赛项目，中国区域每年都有来自各地的知名中学参加，包括清华大学附属中学，上海外国语大学附属中学，华南师范大学附属中学，深圳中学，武外英中，贝塞斯各分校等。这个活动以学校为单位，每个团队都有6-9位同学，比赛包含文学，科学，艺术，社会科学，数学等五个项目，每年都有一个固定的主题，整个比赛以全英文进行，分为队打，学者和荣誉三个组别，按照成绩来确定奖项。

今年的主题是“破局之路” (The Age of Transformation)，有点大哈，科学部分的主旨内容，官方是这样说的：

讲的内容以化学为主，包括了原子结构，元素周期律和周期表，分子构型，物质的三态变化，以及化学反应的类型等等，给大家看个教材目录：

由于篇幅所限，我在这给大家讲一个点，可能大家从未想过，水为什么在0-100℃会存在三种状态，固态，液态和气态，这是一个非常特别的点，大家想想你们周围的物质，还能想到其他常见物质有这个属性么？好像很难吧。正是因为水的这一属性，才使得地球上有了不同的气候和地形地貌，生物才得以生存，所以我今天就来讲讲为什么水在常温下是液体，而氢元素和其他元素形成的分子，比如氨气(NH₃), 氯化氢(HCl)以及硫化氢(H₂S)等都是气体。

众所周知，水的化学式是H₂O，也就是说，每个水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的，其实，水的分子长酱婶儿的：

由于水分子的形状不是对称的，电子在形成共价键(covalent bond，如果你不知道什么是共价键我会在课上讲，但是现在你需要知道这个所谓的共价键bond是一种正负电相互吸引的作用力，中学化学有讲)的时候，氧原子争夺电子的能力更强，所以带负电的电子更靠近氧原子的一端，所以水分子中氧原子的一端带负电，相反氢原子的一端带正电（如上图）。

这一正一负不要紧，当两个水分子靠近的时候，一个水分子的正电端就会吸引另一个水分子的负电端，这种分子之间的彼此吸引称为氢键(Hydrogen bond)，水分子之间正因为形成了氢键才使得分子间的作用力远大于其他同类分子。

化学小白的你又要问了，那跟固态气态还是液态有啥关系呢？先来看USAP教材上面说的这段关于三态变化的图片：

从图中可以看出，分子间作用力越大，分子的排布越紧密，需要越高的能量破坏这种排列。固体的分子间作用力最大，所以固体想变成液体(熔化)，往往需要较高的温度；同理，液体想变成气体(蒸发)，也需要外来的能量，比如晒衣服会变干是因为太阳带来的热量使得水蒸发变成水蒸气。所以液体的分子间作用力介于固体和气体之间。

综上所述，正是因为水分子间存在其他同类分子间没有的作用力，也就是氢键，才形成了水在常温下保持液态这一特点。

小作业时间~

既然这样，水为什么常温下不是固体呢？为什么水结冰要继续降温到0℃以下呢？其他的气体，比如硫化氢(H₂S)想要变成固体的话，温度要进一步上升还是下降呢？

以上说的只是今年USAP科学部分的一个小小小小的点，想了解更多内容吗？想看看其他学科吗？想提升你的语言，扩充你的视野吗？想跟你的小伙伴一起，与来自全国甚至全世界的中学生同场竞技，代表你的学校和你的队伍摘金夺银吗？我和小伙伴们在USAP课上等你哟！