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关于水的5个未解之谜

来源:    发布日期:2021-10-28

对于水的误解:水有哪些未解之谜?水平平无奇?水有水记忆等“神奇特性”?真相何处寻?

一、究竟有多少种冰?

据最新统计,固态水有17种不同的晶体形式。然而,在实验室之外,只有Ih型冰这一种形式普遍存在于地球上。

第二种形式的结晶冰是Ic型,它在高层大气中少量存在,而另外15种形式的冰只在非常高的压力下才会出现。

在星际空间也有大量的冰,但它们通常以无定形的非晶态冻结在尘粒上。

如此繁多的结晶冰形态源于水分子间的四面体网络,它是由相邻水分子之间较强的氢键构成的。

在水的凝聚相中,每个水分子都尽可能优化其形成氢键的能力,就是为了在近四面体的键角方向形成四个氢键。Ih型冰内部的氢键形成的是一个开放的、低密度的三维结构。

冰:液态水(左)由氢原子(白色)和氧原子(红色)组成,以近乎四面体的结构排列。普通的冰(即Ih型冰,右图)的结构是密度较小的三维网络,这是冰会浮在水面上的原因。

对包括结晶冰、单质碳、硅和磷在内的四面体物质施加压力,可以使低密度的固体形态坍缩,从而形成一系列密度依次升高的结构,大概直到形成极致的密堆积结构就不再继续坍塌。这就形成了我们目前所观察到的17种形式的结晶冰。

二、有两种液态水吗?

几十年前,日本科学家声称,他们在高压下观察到了无定形冰的两相转换。

由于无定形冰本质上是相应液体的静态快照(frozen snapshot),无定形冰具有两相就意味着必然存在两种类型的液态水:常规的、低密度的水,以及类似于高压无定形冰的高密度水。

随后的模拟也支持了这一推断。他们研究了当温度低于冰点,但高于 “均相成核温度”(低于此温度液态水就不存在)时,水有可能发生的转变。结果,在这个所谓的 “深度过冷”区,他们找到了两种液态水之间发生相变的证据。

然而,也有科学家认为,这些结果是人为导致的。而且根据统计力学的原理,这种转变不太可能发生。它们发生在远离平衡态的地方,难以被观察和模拟。事实上,远离平衡状态的行为目前是凝聚态理论的一个前沿领域。

三、水是如何蒸发的?

液态水的蒸发速率是现代气候模型中主要的不确定因素之一。它决定了云中水滴的大小分布,而水滴的大小反过来决定了云是如何反射、吸收和散射光线的。

但是,水蒸发的确切机制还没有被完全理解。蒸发速率通常表示为:分子间的碰撞速率乘以一个修正因子,这个因子也被称为蒸发系数,在0和1之间变化。

在几十年的时间内,这个系数的实验测定值的变化幅度甚至超过3个数量级。

目前,还是有几个问题存在。首先,仍然不清楚为什么在与大气压相当的条件下进行的实验得到的数值要低得多。

另外,过渡路径取样模拟理论表明,蒸发的本质在于一种异常大的毛细波,会沿着垂直于液体表面的方向移动,它拉长了与要蒸发的水分子相连的氢键,从而削弱了这些氢键的力量,使水分子能够摆脱彼此间的束缚、蒸发出去。

在水中加入盐会提高表面张力,从而抑制毛细波的振幅,这理应会降低蒸发速率。但实验结果表明,加入盐对蒸发速率几乎没有影响。

四、水表面酸性还是碱性?

尼亚加拉大瀑布周围的雾气不同寻常的一点在于:单个水滴的流动就像可移动的负电荷一样。长期以来,这种现象被用来证明,液滴表面聚集的是带负电的氢氧根离子(OH-),这意味着液滴表面是呈碱性的,pH值大于7。事实上,在胶体科学领域,这种想法已经成为了一种默认的“事实”。

液态水的表面含有大量断裂的氢键,因此表面的化学环境完全不同于体相(没有断裂的化学键)。最近的一些实验和计算研究指出,液态水的表面有可能是由氢离子(H+)主导的,而不是胶体科学通常认为的氢氧根负离子,这样就产生了酸性的 <span style=;font-famil