|
水很普通，小到细胞，大到汪洋，都有水的存在；水很寻常，喝水、洗浴、浇花……生活中的点点滴滴都有水的参与。 但水又是奇特的，一般的物体会“热胀冷缩”，水有时候却是“冷胀热缩”，水在4℃左右时的密度比冰的密度还大；水的比热容比大多物质都大，吸热能力极强；水有很好的承载能力，是最好的溶剂，能溶解许多物质。 水的这些奇特之处又都是有意义的，如果低温的水密度比冰小，那么冬天时，湖泊、河流的水就会从底层开始层层冰冻，水里的生物就没有了立足之地；如果水的比热容没有那么大，吸收不了大量的热，那么夏天的湖泊、海洋大概会是沸腾的；如果水没有强大的溶解能力，也就无法为细胞运输它所需要的营养物质。 总之，水是奇特的，它的奇特又是我们必需的。但是，水为什么会如此奇特呢？这个问题一直困扰着科学家，对它的研究可追溯到伽利略的时代，但当时却是一无所获。最近，有科学家对此给出了新的解释，这个解释与水一样奇特：其实，水不是一种液体，而是两种。  第二临界点 水有三种形态：气态、液态和固态，处于何种形态取决于温度和压强。比如在平原地区，把水加热到100℃，它会沸腾，形成水蒸气，而在青藏高原，这里气压比平原地区低，把水加热到90℃左右，它便沸腾了。 在一般情况下，液态和气态的水是很好区分的，肉眼可辨。但若是改变压强和温度，情况会发生变化。温度不变，压强减小，液态水会逐渐转变为气态水。例如90℃的水，到压强小的青藏高原就成了气态水。压强不变，升高温度，液态水转变为气态水。在两种形态的水相互转化的过程中，总有一个过渡点，在这个点处，水会既表现出液态水的性质，又表现出气体水的性质，似气似液，两种形态无法区分，过了这个点后，它又会变为非液即气的状态。这个点被称为“临界点”。如在标准大气压下， 0℃为水由固态变为液态的“临界点”， 100℃为水由液态变为气态的“临界点”。 几乎所有的物质都有气液转化的临界点，而有些特别的物质拥有“第二临界点”。例如，使液态硅和液态锗的混合物在特定条件下冷却，就能得到一种由两种密度不同的液体组成的混合液体，奇特之处在于，这两种密度不同的液体的组成原子相同，但结构不同，因而表现出的性质不同。液态硅和液态锗混合物表现出这种性质的点就是“第二临界点”。 不过，如果你不去专门研究液态硅或液态锗，大概对此并不感兴趣。科学家也是如此，除了专门研究这个领域的，他们对此并不在意，直到1992年，美国波士顿大学的研究者开始让大量的目光聚焦在“第二临界点”上，他们提出，水由固态变为液态也有第二临界点，在第二临界点时，水会表现出两种液体的性质，换句话说，水有两种液相。 1992年，波士顿大学的研究人员在做实验的时候，偶然发现，压强一定，在温度低至凝固点时，水的密度会变小，并且温度越低，水的密度越小。这种情况很反常，通常，温度越低，物质分子越不活跃，密度越大。为了探究这种情况下，水到底发生了什么变化，研究人员用计算机做了模拟实验。他们模拟了水在过冷状态的变化，过冷水指的是温度低于摄氏零度的液态水。结果发现，压强一定，水的密度的确在温度降低时越来越小，并且在温度急剧下降时，水的密度出现了很大的变化。 对于这种密度的变化，他们给出的解释是，水由固态变为液态时有第二临界点，根据计算机模拟，他们判断在标准大气压下，水的第二临界点很可能在零下45℃。在这个临界点处，水由两种密度不同的“水”组成，就像液态硅和液态锗的混合物，在此临界点处，水分子有两种不同的排列形式，从而使液态水出现一大一小两种密度共存的状态。 这种解释是颠覆性的，当然不乏持怀疑态度的人，有人认为传统的观点便可以解释这种奇特的现象，比如在低温条件下，水其实变成了一种无序的固体，亦或是这是水在凝固前的挣扎，是一种特殊的凝固过程。 当时，波士顿大学的研究团队坚持自己的理论，却无法用真正的实验证明他们的观点，因为在计算机之外的现实中，水在零下45℃的条件下，人们几乎不可能看到液态固态两种形态无法区分的现象，即过冷水的状态。“水是两种液体”这种理论似乎走入了绝境。  水是两种液体 但仍有坚持这一理论的人，瑞典斯德哥尔摩大学的尼尔森就是其中之一。痴迷于研究水的尼尔森综合了他多年来在常温常压下所做的水实验的数据，提出：水的确有两种不同的液态，其中一种，水分子是无序而致密的，另一种则是规则的四面体结构，密度较低。在常温常压下，低密度的水分子随机嵌入高密度水分子中,但人们不可能看到这种现象。在众人的质疑声中，尼尔森决定用实验来让大家看到水的第二临界点。2017年，他远赴韩国，借用最先进的技术制出超纯净的液态水，并通过实验证明了水在同一压强、同一温度时，存在两种不同的密度，他们兴奋地宣布，找到了水的第二临界点。 外界惊叹于本次试验中的先进技术，也有不少人认同了尼尔森的实验结果，但还有人提出了质疑，认为实验中记录对象是水滴，而水滴在整个过程中体积的变化极小，对于这微小的体积变化的解释有许多种，而第二临界点只不过是其中一种，尼尔森不过是为了切合自己的设想而选中了这种解释。 对于“水是两种液体”这一理论的研究还在继续。 走出实验室 如果“水是两种液体”是正确的，有什么意义呢？其实，与我们息息相关的并非过冷水，而是常温常压下的水，如果“水是两种液体”的理论是正确的，这意味着在常温常压下的水也存在两种密度的水共存的状态，虽然我们无法观察到。那么，当理论走出实验室，是否能与生活有所联系呢？ 科学家认为，水是两种液体，这个看似奇怪的理论恰恰能够解释我们身边的水的反常之处。比如，为什么水在4℃时密度比冰大？常压下，如果从4℃的水转变为0℃的冰状混合物，在微观尺度下，就是原本排布无序的水分子逐渐从无序的状态转变为规则的状态，根据上述理论，低温时，无序状态的水密度更大，显然4℃时密度更大。 相信在未来，更多关于水的谜题将会被解开。 |
|
|
