為什麼說我們仍然不了解水呢？水到底有什麼特殊之處？

2020-11-12 星空起源

水是生活中最常見的東西之一，但為什麼科學家還認為我們不夠了解水呢？

純粹的水，真的很難結冰嗎？

為什麼科學家認為水有兩種液體？我們不是只看到一種嗎？

今天，就讓我們一起，重新認識下水吧。



水是由氫、氧兩種元素組成的無機物，它也是人類生活中必不可少的東西。

關於地球上的水是從哪裡來的，有觀點認為，在地球形成初期，原始大氣存在著氫、氧原子，他們相互結合變成水蒸氣，最後下落形成了初期的海洋。

問題在於，我們真的足夠了解水嗎？

有一個很簡單的問題：水是溼的嗎？

這個問題的答案顯而易見，連3歲的小孩子都可以回答，水當然是溼的。

但是它的科學性質，並不是那麼簡單。



水其實真的很奇怪，比你的認知裡的要奇怪得多，它不同於大多數液體，水的表面張力比其他液體都高。

能夠溶於水的固體所需量，一般比溶於其他液體的都多。

水幾乎是宇宙中唯一一種固態物質密度低於液態物質的液體，這就是為什麼冰可以漂浮在水面上。

而它的非凡特性歸結為一個簡單的鍵：氫鍵。



我們都知道水是由一個氧原子和兩個氫原子結合而成的，由於共享電子與更大、更具電負性的氧原子並排，水變成了極性分子，氧端是負的，而氫端是正的。

水的極性，決定了它能夠與一切事物相互作用，包括驅動生命的細胞機制。

當兩個水分子相鄰時，它們的兩端也會互相吸引， 就像磁鐵一樣。

據科學家們分析，在地球表面的環境條件下，水實際上應該是以氣體存在，而水分子間的氫鍵使水具有粘性，使其保持液態。

當水降低到很低的溫度時，會發生兩種情況。

如果水是純水，裡面不夾雜任何其他雜質，那麼它在低溫下也不會結成冰，因為任何物質溶於水中都會升高水的冰點，反之純水的壓力比有雜質的水的壓力高，所以冰點上升，沸點下降。

但凡有一粒灰塵掉進過冷水裡，它就會立馬結成冰塊。

而另一種情況，就像我們日常生活中見到的水結成冰一樣。



科學家早就在不斷探究水的奇特性質了，但始終沒有太大的收穫。

直到瑞典斯德哥爾摩大學的安德斯·尼爾森等人，公布了他們的最新研究結果：水不是一種液體，而是兩種。

但我們大家都知道的是，水有氣態、液態、固態三種形態，那這兩種液體如何理解呢？

2017年安德斯·尼爾森和他的團隊近距離觀察水時，研究小組將微米級的水滴注入真空中，使它們進入到超冷的狀態，然後用x射線雷射脈衝探測水的分子結構。

雷射脈衝只有萬億分之一秒長，但是研究小組仍然可以捕捉到多個幀，能夠看到分子之間的結構是如何隨著時間的推移而改變的。



結果，科學家就發現，純水在溫度降低的時候，密度會發生波動，而且溫度越低波動的程度越大。質量肯定是不會變的，所以，水的體積是波動的。

最後，科學家們總結出來，與其說是兩種液體，不如說是液體的兩種形態，一種是有序態，而另一種就是無序態。

溫度升高的時候，排列有序的水分子就會吸收熱量，變成無序狀態。因為無序狀態的水，空間利用率比較高，密度比較大。所以這個過程中，水的密度是逐漸變大。在4℃的時候，水分子絕大部分都是無序狀態排列，這時的密度就是最大的。

研究團隊還在研究水在液態和固體之間的轉化時，水會存在非液即固，非固即液的狀態，這個點就被稱為第二臨界點。

這個實驗能夠解釋水的許多反常現象，並有助於我們更好地理解一些水形成的現象，如生命的形成、海冰融化，以及如何更好地淡化海水。



好了，本期的內容我們就到這裡了。

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