油桃当中富含的五大营养价值
水是世界上最普通的,也是最反常的物质。 瞿立健 我们这个世界有很多“怪异”的东西,比如量子、黑洞、暗物质、暗能量、宇宙起源,等等。这些东西离我们的日常生活有点远,不过,日常生活中也有与这些东西同样怪异的东西,那就是——水。 怪异的...
水是世界上最普通的,也是最反常的物质。 瞿立健 我们这个世界有很多“怪异”的东西,比如量子、黑洞、暗物质、暗能量、宇宙起源,等等。这些东西离我们的日常生活有点远,不过,日常生活中也有与这些东西同样怪异的东西,那就是 —— 水。 怪异的水 司空见惯的水在科学上却是最怪异的液体。有科学家列举出水至少有 66 种反常性质。这些怪异的性质里,很多体现在专门的科学实验里,也有一些性质可以轻松表现出来。 把一块冰 —— 固态的水 —— 扔进冷液态水里,你会发现,冰会浮在水面上,因为冰的密度小于液态水。这就是怪事一桩,一般液体凝聚为固体,密度增大,因为原子或分子在固体中的排列比在液体中更紧密。 湖面正在结冰的时候,用温度计测一下各深度处水的温度,水面处温度为 0℃,而湖底部温度为 4℃,这是因为水在 4℃时密度最大。 液态水的密度大于冰,且冰点时其密度小于温度稍高时的密度,否则,湖泊和河流会从下往上结冰,水中生物将难以存活。这对生命有重要意义,更不用说它们挺过历史上多次漫长的冰期。 另一方面,让水升高一定温度,需要吸收的热比一般液体出奇得高,常下厨房的读者都有生活经验,油的升温要比水快。水吸热能力强,这也有意义 —— 如果吸热能力很差,气候稍有变化,生态系统将遭受灭顶之灾。 水结冰时要膨胀,冰溶解时却收缩。水至少能形成 17 种晶体 —— 即冰。 本文后面会再列举几种水的怪异性质。 我们应该对水的怪异性质有感恩之心,否则,复杂的生命或许不会存在,我们也就没有机会阅览这篇文章,体会水的神奇。 水为什么行为怪异? 科学家思考问题,一般秉持还原主义思维,物质性质源自物质的结构。 那么,水是什么样的结构呢? 双水记 故事追溯至 1976 年。 美国普度大学的奥斯汀?安吉尔和罗宾?斯皮迪(Robin Speedy)将水降温,想看看水能降到多低的温度。 你可能会问,降低到 0℃不就结冰了吗? 不一定,如果容器内非常洁净,水非常平静,在 0℃以下仍会保持液体状态,这叫“过冷水”。 安吉尔和斯皮迪发现一些奇怪的现象:温度越低,过冷水的密度分布愈发不均匀。常理来说,温度越低,水的密度应该越均匀。 水里面发生了什么事情? 限于当时的实验条件,无法观测得更细致。 1992 年,美国波士顿大学的彼得?普尔和吉恩?斯坦利(Gene Stanley)对水进行了计算机模拟研究(Nature1992,360, 324–328),重现了实验中类似的现象。更重要的是,计算机模拟可以计算体系的各种性质,甚至分子的具体运动情况。 普尔和斯坦利根据他们的计算机模拟结果,看出过冷水的行为其实和普通水变成水蒸气的情况很类似。普通水在一些特殊条件下,密度分布也会变得极端不均匀。下面我们先简单介绍一下水从液体变为气体的过程。 如上图所示,液体压强保持为 P0,升温,即液体状态按图中线 LQ 移动,到达点 Q 时,一部分液体开始汽化,即变成气体。此时尽管继续加热,但温度却不再升高,而是保持在 T0。直到全部液体变成气体,温度才继续沿 QG 升高。在各种压强下做实验,可以得到一系列气液共存的点,把这些点连起来,就得到一条曲线 —— 汽化线。 一直升温或加压,汽化线会一直延伸下去还是在某个点戛然而止? 实验发现,汽化线有个终点,这个点叫作临界点,即下图中的点。 临界点之外,物质是处于气态还是液态? 这个问题是没有意义的,因为临界点之外,气态和液态的差别不复存在。沿图中虚线做实验,物质可以从液态点连续地变成气态。 在气液相变的临界点附近,密度分布也是极端不均匀的。一个相关的实验现象是临界乳光,如下图所示。 一般来说物质有气态、液态和固态三种状态。不过,物理学中更常用的词是“相”,而不是“态”。 物质的“相”的种类比一般所说的“态”的种类要多得多。也就是说,对应于同一个态,还可以有许多不同的“相”。比如,水的固态是冰,但冰有很多种不同的结晶方式,它们对应于不同的“相”。 物质从一种相转换成另一种相,称为相变。水从液态变成气态(或称气相)就是一种相变。 我们回到普尔和斯坦利的实验,他们通过计算机模拟发现,过冷水在某温度附近密度也会变得及其不均匀,这与气液相变临界点附近的情况很类似。于是,普尔和斯坦利设想,那里是个临界点,过冷水也可以发生相变,两相分别是低密度水和高密度水。 普尔和斯坦利的设想得到后续更精确的水模型的模拟结果支持,显示他们的猜想很靠谱,即水除了汽化线的临界点之外,过冷水还有一个临界点。 实验上能不能看到这个临界点呢? 很难,这个临界点在-45℃,在这么低的温度下,水很容易就结冰了。 全世界多个杰出的课题组展开了研究,努力了 26 年,在 2017 和 2018 年,两个独立的精巧实验 确定,第二个临界点是存在的,过冷水在适当条件下可以发生相变,即存在两种结构的水。 具体是什么样的结构呢? 瑞典斯德哥尔摩大学的安德斯?尼尔松教授与其合作者在这个方面做了系统的工作,我们直接介绍他们所得到的结论。 一水两构 水的结构是水分子之间的相互作用决定的。 水分子由两个氢原子和一个氧原子组成,两个氢原子分别与氧原子紧密结合在一起,形成 V 字型结构,它们之间的结合方式化学家称之为“共价键”。 水分子整体是电中性的,但在分子内部,电量分布是不均匀的,氧原子略带负电,而两个氢原子略带正电。当一个水分子中的氧原子和另一个水分子中的氢原子靠近时,两个水分子之间就会产生吸引作用,这种作用化学家称为“氢键”。 氢键要比共价键弱得多,很容易被破坏。有人形象地说:“氢键相当于两个人手拉手,可以拉也可以分。共价键连接的是你自己的手和脚,不能分开。” 尼尔松根据他们的实验结果,提出水分子在氢键的影响下,可以有两种排列方式,按四面体有序排列或随机无序排列,分别组成低密度水和高密度水。 以上理论可以解释水的诸多反常性质,下面略举几例。 正解反常 ?冰的密度比水小。 冰中的水分子排列方式与低密度水中水分子排列方式相同,即四面体结构,而水中还有无序结构的高密度水,因此,水的平均密度大于冰的密度。 ?水在 4℃时密度最大。 在 0°C 时,水分子更多地处于四面体结构的有序相,即低密度水占优势。极端情况下,如果完全没有无序的高密度水,液态水就结成冰了。温度升高,分子无规则的热运动就越剧烈,有序结构就越少,高密度水越占优势,即水的密度升高。但当温度达到 4°C 以上时,分子热运动使水分子间距随温度升高而增大,水的密度因而降低。 ?水的比热容显著大于绝大多数液体。 加热物质,使其升高一定量的温度,但水比其他液体需要热量更高,即比热容更大,因为水需要一部分热量来破坏低密度水的四面体结构。 ?水的比热容随温度升高先减小后增大,在 35°C 时有个极小值,而绝大多数液体的比热容随温度升高而一直增大。 在 0 至 35°C 之间,温度升高导致水中的四面体结构不断被破坏,便于水分子做无序的运动;随着温度升高,四面体结构越来越少,水显得吸热能力在降低。温度达到 35°C 时,水中四面体结构破坏殆尽,水的比热容开始表现得类似一般液体了。 ?水的压缩率 —— 加压之后,减少的体积与原体积之比 —— 随温度升高先减小后增大,在 46°C 时有个极小值,而绝大多数液体的压缩率随温度升高而一直增大。 随着温度升高,46°C 之前,水表现得难于被压缩,这是因为低密度水的结构逐渐解体,高密度水比例越来越高。温度达到 46°C 之后,水中几乎只有无序的高密度水,行为类似普通液体,温度越高越易被压缩。 比热容体现的是微观结构数目的变化,压缩率体现的是分子堆积的松紧程度,二者极小值不落在同一温度,是正常的。 ?水比绝大多数液体难以被压缩。 这是氢键带给水分子之间强烈的吸引力造成的,尤其是对于高密度水。 ?高压下水分子更易于扩散。 高压可破坏四面体有序结构,水分子排列越无序,越易于扩散。 ?水受热膨胀,加压,更膨胀…… 加压使水更无序,因而易于膨胀。 不再列举水的更多反常性质予以解释了。总之,水分子有两种排列方式,这个理论与实验相符,且能一致地解释水的反常性质。 水的怪异性质的奥秘开始浮出水面,只不过,这让水显得更怪异。 主要参考资料
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