来源(yuan):科技日报

  水很寻常,它(ta)在生(sheng)活中司空见惯(guan),我们(men)洗衣、做饭、饮用都(dou)离不开它(ta)。它(ta)可以变成(cheng)水蒸气,也可以结成(cheng)冰。。。。。。我们(men)似(si)乎对水最了解(jie)不过了,但是,这看似(si)普(pu)通的水却仍然(ran)有很多待解(jie)的谜题,科(ke)学家甚至(zhi)连(lian)它(ta)是一种液体还(hai)是两种液体都(dou)还(hai)在争(zheng)论呢。

    在第二临界点水是两种液体?

  众所周知,水(shui)有(you)3种存在形态(tai)(tai)(tai):液(ye)态(tai)(tai)(tai)、气态(tai)(tai)(tai)和固态(tai)(tai)(tai)。如(ru)果压强(qiang)或温(wen)度改变(bian),水(shui)的(de)状态(tai)(tai)(tai)就可能发生(sheng)变(bian)化。温(wen)度不(bu)变(bian),压强(qiang)减小(xiao),液(ye)态(tai)(tai)(tai)水(shui)会(hui)逐渐转(zhuan)变(bian)为气态(tai)(tai)(tai)水(shui)。比(bi)如(ru),在平原地区(qu),90℃的(de)水(shui)是(shi)液(ye)态(tai)(tai)(tai)的(de),但到压强(qiang)小(xiao)的(de)青藏高原就变(bian)成了气态(tai)(tai)(tai)。压强(qiang)不(bu)变(bian),温(wen)度升高,液(ye)态(tai)(tai)(tai)水(shui)也(ye)会(hui)转(zhuan)变(bian)为气态(tai)(tai)(tai)水(shui)。

  水(shui)在(zai)两(liang)种形态(tai)(tai)相(xiang)互(hu)转(zhuan)(zhuan)化(hua)的(de)(de)过程中,总有一个过渡点(dian)。比(bi)如(ru)在(zai)液态(tai)(tai)和(he)气(qi)态(tai)(tai)相(xiang)互(hu)转(zhuan)(zhuan)化(hua)的(de)(de)过渡点(dian)上,水(shui)既会(hui)(hui)表(biao)现出液态(tai)(tai)水(shui)的(de)(de)性质,又会(hui)(hui)表(biao)现出气(qi)态(tai)(tai)水(shui)的(de)(de)性质,如(ru)液似(si)气(qi),两(liang)种形态(tai)(tai)无法区分,过了(le)这个点(dian)后,它就会(hui)(hui)变为(wei)非(fei)液即(ji)气(qi)或非(fei)气(qi)即(ji)液的(de)(de)状(zhuang)态(tai)(tai)。这个点(dian)被称(cheng)为(wei)“临界点(dian)”。比(bi)如(ru),在(zai)标准(zhun)大气(qi)压(ya)下,0℃是水(shui)在(zai)固(gu)态(tai)(tai)和(he)液态(tai)(tai)之间转(zhuan)(zhuan)换的(de)(de)临界点(dian),100℃是水(shui)在(zai)液态(tai)(tai)和(he)气(qi)态(tai)(tai)之间转(zhuan)(zhuan)换的(de)(de)临界点(dian)。

  1992年,美国波士顿大学的科学家彼(bi)得·普尔(er)和吉恩·斯坦利在做实验的时候(hou),意外发(fa)现,低温下水的密(mi)度(du)(du)会发(fa)生(sheng)起伏,温度(du)(du)越(yue)低,密(mi)度(du)(du)起伏越(yue)大。他们对这一反常的现象(xiang)很感兴趣,因为通常情况(kuang)下,温度(du)(du)越(yue)低,分子越(yue)不(bu)活(huo)跃,密(mi)度(du)(du)起伏应(ying)该越(yue)小。

  为了弄清这是(shi)怎(zen)么回事,普尔和(he)斯坦利的(de)团队模(mo)拟(ni)了水(shui)(shui)(shui)在过冷(leng)状态下(xia)的(de)变化,所谓(wei)过冷(leng)水(shui)(shui)(shui)指的(de)是(shi)温度低于0℃的(de)液态水(shui)(shui)(shui)。模(mo)拟(ni)结果显示,过冷(leng)的(de)水(shui)(shui)(shui)中确实存在密度起伏,且(qie)密度起伏随温度降低而增大。

  对于这(zhei)(zhei)种密(mi)度的(de)变(bian)化,他们给出的(de)解释是,水有(you)第二临界(jie)(jie)点(dian)。在第二临界(jie)(jie)点(dian)之上,水会(hui)在两(liang)种状态之间(jian)快(kuai)速转变(bian)。由于两(liang)种状态性(xing)质不(bu)同(tong),因此任意一(yi)(yi)种转化成(cheng)另外一(yi)(yi)种时,都会(hui)导(dao)致突(tu)然的(de)密(mi)度变(bian)化,这(zhei)(zhei)一(yi)(yi)变(bian)化在临界(jie)(jie)点(dian)时最为显著。在这(zhei)(zhei)个临界(jie)(jie)点(dian)处,水由两(liang)种密(mi)度不(bu)同(tong)的(de)“水”组成(cheng)。也(ye)就是水不(bu)是一(yi)(yi)种液体,而是两(liang)种液体。

  两种液体的说法还没有“实锤”

  “所谓(wei)水是两种(zhong)(zhong)液(ye)体,就是一(yi)(yi)(yi)种(zhong)(zhong)密度高一(yi)(yi)(yi)点(dian)的(de)(de)液(ye)体和一(yi)(yi)(yi)种(zhong)(zhong)密度低一(yi)(yi)(yi)点(dian)的(de)(de)液(ye)体的(de)(de)混(hun)合(he)。因为密度不同,两者之间的(de)(de)氢(qing)键、长度、相(xiang)互作用的(de)(de)强(qiang)度也会不一(yi)(yi)(yi)样,这样就使它(ta)的(de)(de)各种(zhong)(zhong)性(xing)质比如粘滞性(xing)和扩(kuo)散(san)系数,也有差(cha)别。”中国(guo)科(ke)学(xue)院物(wu)理(li)研究(jiu)所研究(jiu)员(yuan)孟(meng)胜告(gao)诉科(ke)技日报记者。

  然而(er),对(dui)于水是两(liang)种液体,不少人持怀疑态度,甚至有科学(xue)家批(pi)评这(zhei)个结果是伪造的(de)。大多(duo)数研究者认(ren)为水的(de)性(xing)质可以(yi)用常(chang)规(gui)的(de)理论来解释。其中一(yi)种观点(dian)认(ren)为,在非(fei)常(chang)低的(de)温度下,过(guo)冷的(de)水会转变成一(yi)种无序的(de)固(gu)体,亦或(huo)是这(zhei)是水在凝固(gu)时(shi)的(de)一(yi)种特(te)殊现(xian)象。

  痴(chi)迷于(yu)水(shui)(shui)研究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)瑞(rui)典斯德(de)哥尔摩(mo)大学(xue)科学(xue)家尼尔森综合了(le)他(ta)多年来在(zai)常(chang)温常(chang)压下(xia)所做(zuo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)实验(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)数据提出(chu),水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)确有两(liang)种不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液态,其中(zhong)一种,水(shui)(shui)分子(zi)是(shi)无(wu)序(xu)而(er)致密(mi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de),另一种则是(shi)规(gui)则的(de)(de)(de)(de)(de)(de)四面体结构(gou),密(mi)度较低(di)。在(zai)常(chang)温常(chang)压下(xia),低(di)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)分子(zi)随机(ji)嵌(qian)入高密(mi)度水(shui)(shui)分子(zi)中(zhong),但人(ren)们不可(ke)能看到这种现象。在(zai)众人(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)质疑声中(zhong),尼尔森决定用实验(yan)来让大家看到水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)第(di)二临(lin)(lin)界点。2017年,他(ta)远赴韩国,借用最先进的(de)(de)(de)(de)(de)(de)技术制出(chu)超纯净的(de)(de)(de)(de)(de)(de)液态水(shui)(shui),并(bing)通过实验(yan)证明了(le)水(shui)(shui)在(zai)同(tong)一压强、同(tong)一温度时,存在(zai)两(liang)种不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)密(mi)度,他(ta)兴奋地(di)宣布(bu),找到了(le)水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)第(di)二临(lin)(lin)界点。

  有不少人认同(tong)尼尔(er)森的实(shi)验(yan)结(jie)果,但还(hai)有人提出了(le)质疑,认为实(shi)验(yan)中(zhong)记录对(dui)象是(shi)水滴,而(er)水滴在整个过程中(zhong)体积的变化(hua)极小(xiao)(xiao),对(dui)于这微小(xiao)(xiao)的体积变化(hua)的解(jie)(jie)释有许多种,而(er)第二临界点只(zhi)不过是(shi)其中(zhong)一(yi)种,尼尔(er)森不过是(shi)为了(le)切(qie)合自己的设(she)想而(er)选中(zhong)了(le)这种解(jie)(jie)释。

  在(zai)孟胜看来(lai),虽然(ran)一直都有人(ren)认为水是(shi)两种(zhong)不同(tong)性质的(de)液(ye)体的(de)混(hun)合,但现在(zai)还没(mei)(mei)有确凿的(de)证(zheng)据,并没(mei)(mei)有被完全证(zheng)实,这(zhei)种(zhong)观点还处在(zai)假(jia)说的(de)阶段。

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  水是两种液体?冰也有17种形态呢!

  据最新的(de)(de)统(tong)计,固态水(shui)即(ji)冰(bing)(bing)共有(you)17种晶体(ti)(ti)形(xing)态。但是在实验(yan)室外(wai),只有(you)一(yi)(yi)种是地球上普遍存(cun)在的(de)(de),它(ta)称为(wei)“冰(bing)(bing)Ih”。还(hai)有(you)一(yi)(yi)种冰(bing)(bing)Ic,只少量存(cun)在于大气圈(quan)上层(ceng)。此(ci)外(wai)的(de)(de)15种冰(bing)(bing),只有(you)在极高的(de)(de)压(ya)力下才能(neng)产生。冰(bing)(bing)晶之所以(yi)形(xing)态如此(ci)多样,都是因(yin)为(wei)相邻(lin)的(de)(de)水(shui)分子用强大的(de)(de)氢(qing)键(jian)构(gou)(gou)成了(le)一(yi)(yi)个四面体(ti)(ti)的(de)(de)网(wang)络。当水(shui)处(chu)于凝(ning)聚态时(shi),每一(yi)(yi)个水(shui)分子都会形(xing)成近乎(hu)四面体(ti)(ti)的(de)(de)4个氢(qing)键(jian),从而最大限度地与其他水(shui)分子结(jie)合。冰(bing)(bing)Ih中的(de)(de)氢(qing)键(jian)构(gou)(gou)成了(le)一(yi)(yi)个开放(fang)立体(ti)(ti)、且(qie)密度较低的(de)(de)结(jie)构(gou)(gou)。

  将压(ya)(ya)力施(shi)加(jia)到冰晶、元素碳、硅(gui)和(he)磷(lin)之类的(de)(de)(de)四面体物质(zhi)上,就(jiu)能(neng)将密(mi)度较低的(de)(de)(de)固体压(ya)(ya)缩(suo)成一系列(lie)密(mi)度较高的(de)(de)(de)结构,而且(qie)这(zhei)(zhei)个过程有可能(neng)推进到这(zhei)(zhei)些物质(zhi)密(mi)度的(de)(de)(de)极限。这(zhei)(zhei)造(zao)就(jiu)了(le)我(wo)们目前观察到的(de)(de)(de)冰晶的(de)(de)(de)17种形态(tai)。不知道(dao)未来还会不会发现更(geng)多形态(tai)的(de)(de)(de)冰。