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你喝下的每一口水,都藏着这5个未解之谜

发布时间: 2021-09-10 18:51:25   作者:本站编辑   来源: 环球科学   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

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图片来源:pixabay

说起水,我们一点都不陌生,它在日常生活中随处可见。而就是这样一个简单的分子,却一直站在科学界关注的前沿。它不仅在量子领域大放光彩,即使在最基本的物理化学性质上,也一直颠覆着我们原有的认知。

撰文 | Richard Saykally(加州大学伯克利分校化学教授)

翻译 | 赵冰莹

审校 | 王怡博

“水很无聊。”这是我已故母亲的话,它似乎反映了多数人的观点。常见的水,不是很简单吗?而另一方面,在伪科学的煽动下,世界上的另一些人似乎对顺势疗法、水记忆等“神奇特性”深信不疑。

事实上,真相介于两者之间。没错,水非常常见,它是宇宙中第三常见的分子。但是,与我母亲的观点相反,它也是复杂的。接下来要介绍的就是与水有关、至今仍未解决的几个科学问题。

1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。

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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。(图片来源:Wikimedia)

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。未来,还会有更多的发现吗?

2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。

3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。而对这个系数的理论计算也遇到了阻碍,这个过程需要庞大的计算量和很长的模拟时间。

加州大学伯克利分校的David Chandler和同事利用了一种能够描述这种现象的理论,即过渡路径取样(transition path sampling),计算了水的蒸发系数。他们得出了一个接近1的数值。这与最近的液体微喷(liquid microjet)实验结果相当,在该实验中普通水和重水的蒸发系数均为0.6。

然而,还是有几个问题存在。首先,目前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。

4水的表面是酸性还是碱性?

有关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。大多数瀑布也是如此。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 (pH值小于7)带正电表面。

化学和生物学中的许多重要过程,如大气中的气溶胶-气体交换、酶催化和跨膜质子运输,都涉及到水表面的质子交换,而且直接取决于水表面的pH值,但它目前仍然是一个未知的量。

5纳米水有什么不同?

水并不总是流动在海洋里。无论是在自然界还是在人造设备中,水经常被限制在难以想象的微小空间内,比如反胶束、碳纳米管、质子交换膜和干凝胶(一种多孔的玻璃状固体)。

在只有几百个分子大小的微小空间内,被固体“墙壁”限制的水分子开始呈现出量子力学效应,包括离散性和量子相干性,与体相水分子的性质完全不同。这些独特的量子力学性质影响深远,从生物细胞到地质结构,都有可能受到影响。这种现象也可能具有相当大的实际应用价值意义,例如用于设计效率更高的脱盐(去除水中的阴阳离子)系统。

然而,目前的结果仍然有些模棱两可,科学家还需要做更多的工作才能确定限域条件下水分子的本质。