水是生活中最常見的東西之一,但就在最近,越來越多的科學家認為,即便水這種最常見的東西,我們還是不夠了解它。
比如,為什麼純粹的水很難結冰?
比如,為什麼水有兩種液體?難道我們不是只看到一種嗎?
今天,就讓小度和大家一起,重新認識一下水吧。
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物質,至於水的重要性小度就不做過多贅述了。
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。
那麼我們拋出第一個很簡單的問題: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,比我們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。這是這種性質,決定了水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。不過,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?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,與其說水是兩種液體,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。
普普通通的水也能給我們帶來這麼多有趣的知識點,看到這裡,小夥伴們是不是又想要「喝一杯水壓壓驚」了呢?其實這世界上不被我們所熟知的東西還有很多,我們要心存謙卑與敬畏,始終保有一顆勇於探索和熱愛的內心。