水到底是一种液体还是两种液体

2019-03-15 12:53 科技日报

  水很寻常,它在生活中司空见惯,我们洗衣、做饭、饮用都离不开它。它可以变成水蒸气,也可以结成冰......我们似乎对水最了解不过了,但是,这看似普通的水却仍然有很多待解的谜题,科学家甚至连它是一种液体还是两种液体都还在争论呢。

  在第二临界点水是两种液体?

  众所周知,水有3种存在形态:液态、气态和固态。如果压强或温度改变,水的状态就可能发生变化。温度不变,压强减小,液态水会逐渐转变为气态水。比如,在平原地区,90℃的水是液态的,但到压强小的青藏高原就变成了气态。压强不变,温度升高,液态水也会转变为气态水。

  水在两种形态相互转化的过程中,总有一个过渡点。比如在液态和气态相互转化的过渡点上,水既会表现出液态水的性质,又会表现出气态水的性质,如液似气,两种形态无法区分,过了这个点后,它就会变为非液即气或非气即液的状态。这个点被称为“临界点”。比如,在标准大气压下,0℃是水在固态和液态之间转换的临界点,100℃是水在液态和气态之间转换的临界点。

  1992年,美国波士顿大学的科学家彼得⋅普尔和吉恩⋅斯坦利在做实验的时候,意外发现,低温下水的密度会发生起伏,温度越低,密度起伏越大。他们对这一反常的现象很感兴趣,因为通常情况下,温度越低,分子越不活跃,密度起伏应该越小。

  为了弄清这是怎么回事,普尔和斯坦利的团队模拟了水在过冷状态下的变化,所谓过冷水指的是温度低于0℃的液态水。模拟结果显示,过冷的水中确实存在密度起伏,且密度起伏随温度降低而增大。

  对于这种密度的变化,他们给出的解释是,水有第二临界点。在第二临界点之上,水会在两种状态之间快速转变。由于两种状态性质不同,因此任意一种转化成另外一种时,都会导致突然的密度变化,这一变化在临界点时最为显著。在这个临界点处,水由两种密度不同的“水”组成。也就是水不是一种液体,而是两种液体。

  两种液体的说法还没有“实锤”

  “所谓水是两种液体,就是一种密度高一点的液体和一种密度低一点的液体的混合。因为密度不同,两者之间的氢键、长度、相互作用的强度也会不一样,这样就使它的各种性质比如粘滞性和扩散系数,也有差别。”中国科学院物理研究所研究员孟胜告诉科技日报记者。

  然而,对于水是两种液体,不少人持怀疑态度,甚至有科学家批评这个结果是伪造的。大多数研究者认为水的性质可以用常规的理论来解释。其中一种观点认为,在非常低的温度下,过冷的水会转变成一种无序的固体,亦或是这是水在凝固时的一种特殊现象。

  痴迷于水研究的瑞典斯德哥尔摩大学科学家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,他兴奋地宣布,找到了水的第二临界点。

  有不少人认同尼尔森的实验结果,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。

  在孟胜看来,虽然一直都有人认为水是两种不同性质的液体的混合,但现在还没有确凿的证据,并没有被完全证实,这种观点还处在假说的阶段。

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  水是两种液体?冰也有17种形态呢!

  据最新的统计,固态水即冰共有17种晶体形态。但是在实验室外,只有一种是地球上普遍存在的,它称为“冰Ih”。还有一种冰Ic,只少量存在于大气圈上层。此外的15种冰,只有在极高的压力下才能产生。冰晶之所以形态如此多样,都是因为相邻的水分子用强大的氢键构成了一个四面体的网络。当水处于凝聚态时,每一个水分子都会形成近乎四面体的4个氢键,从而最大限度地与其他水分子结合。冰Ih中的氢键构成了一个开放立体、且密度较低的结构。

  将压力施加到冰晶、元素碳、硅和磷之类的四面体物质上,就能将密度较低的固体压缩成一系列密度较高的结构,而且这个过程有可能推进到这些物质密度的极限。这造就了我们目前观察到的冰晶的17种形态。不知道未来还会不会发现更多形态的冰。

责编:李文瑶
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