水到底是一種液體還是兩種液體

    

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        水很尋常，它在生活中司空見慣，我們洗衣、做飯、飲用都離不開它。它可以變成水蒸氣，也可以結成冰......我們似乎對水最了解不過了，但是，這看似普通的水卻仍然有很多待解的謎題，科學家甚至連它是一種液體還是兩種液體都還在爭論呢。

        在第二臨界點水是兩種液體？

        眾所周知，水有3種存在形態：液態、氣態和固態。如果壓強或溫度改變，水的狀態就可能發生變化。溫度不變，壓強減小，液態水會逐漸轉變為氣態水。比如，在平原地區，90℃的水是液態的，但到壓強小的青藏高原就變成了氣態。壓強不變，溫度升高，液態水也會轉變為氣態水。

        水在兩種形態相互轉化的過程中，總有一個過渡點。比如在液態和氣態相互轉化的過渡點上，水既會表現出液態水的性質，又會表現出氣態水的性質，如液似氣，兩種形態無法區分，過了這個點後，它就會變為非液即氣或非氣即液的狀態。這個點被稱為「臨界點」。比如，在標準大氣壓下，0℃是水在固態和液態之間轉換的臨界點，100℃是水在液態和氣態之間轉換的臨界點。

        1992年，美國波士頓大學的科學家彼得·普爾和吉恩·斯坦利在做實驗的時候，意外發現，低溫下水的密度會發生起伏，溫度越低，密度起伏越大。他們對這一反常的現象很感興趣，因為通常情況下，溫度越低，分子越不活躍，密度起伏應該越小。

        為了弄清這是怎麼回事，普爾和斯坦利的團隊模擬了水在過冷狀態下的變化，所謂過冷水指的是溫度低於0℃的液態水。模擬結果顯示，過冷的水中確實存在密度起伏，且密度起伏隨溫度降低而增大。

        對於這種密度的變化，他們給出的解釋是，水有第二臨界點。在第二臨界點之上，水會在兩種狀態之間快速轉變。由於兩種狀態性質不同，因此任意一種轉化成另外一種時，都會導致突然的密度變化，這一變化在臨界點時最為顯著。在這個臨界點處，水由兩種密度不同的「水」組成。也就是水不是一種液體，而是兩種液體。

        兩種液體的說法還沒有「實錘」

        「所謂水是兩種液體，就是一種密度高一點的液體和一種密度低一點的液體的混合。因為密度不同，兩者之間的氫鍵、長度、相互作用的強度也會不一樣，這樣就使它的各種性質比如粘滯性和擴散係數，也有差別。」中國科學院物理研究所研究員孟勝告訴科技日報記者。

        然而，對於水是兩種液體，不少人持懷疑態度，甚至有科學家批評這個結果是偽造的。大多數研究者認為水的性質可以用常規的理論來解釋。其中一種觀點認為，在非常低的溫度下，過冷的水會轉變成一種無序的固體，亦或是這是水在凝固時的一種特殊現象。

        痴迷於水研究的瑞典斯德哥爾摩大學科學家尼爾森綜合了他多年來在常溫常壓下所做的水實驗的數據提出，水的確有兩種不同的液態，其中一種，水分子是無序而緻密的，另一種則是規則的四面體結構，密度較低。在常溫常壓下，低密度的水分子隨機嵌入高密度水分子中,但人們不可能看到這種現象。在眾人的質疑聲中，尼爾森決定用實驗來讓大家看到水的第二臨界點。2017年，他遠赴韓國，借用最先進的技術制出超純淨的液態水，並通過實驗證明了水在同一壓強、同一溫度時，存在兩種不同的密度，他興奮地宣布，找到了水的第二臨界點。

        有不少人認同尼爾森的實驗結果，但還有人提出了質疑，認為實驗中記錄對象是水滴，而水滴在整個過程中體積的變化極小，對於這微小的體積變化的解釋有許多種，而第二臨界點只不過是其中一種，尼爾森不過是為了切合自己的設想而選中了這種解釋。

        在孟勝看來，雖然一直都有人認為水是兩種不同性質的液體的混合，但現在還沒有確鑿的證據，並沒有被完全證實，這種觀點還處在假說的階段。

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        水是兩種液體？冰也有17種形態呢！

        據最新的統計，固態水即冰共有17種晶體形態。但是在實驗室外，只有一種是地球上普遍存在的，它稱為「冰Ih」。還有一種冰Ic，只少量存在於大氣圈上層。此外的15種冰，只有在極高的壓力下才能產生。冰晶之所以形態如此多樣，都是因為相鄰的水分子用強大的氫鍵構成了一個四面體的網絡。當水處於凝聚態時，每一個水分子都會形成近乎四面體的4個氫鍵，從而最大限度地與其他水分子結合。冰Ih中的氫鍵構成了一個開放立體、且密度較低的結構。

        將壓力施加到冰晶、元素碳、矽和磷之類的四面體物質上，就能將密度較低的固體壓縮成一系列密度較高的結構，而且這個過程有可能推進到這些物質密度的極限。這造就了我們目前觀察到的冰晶的17種形態。不知道未來還會不會發現更多形態的冰。