奇闻异事 · 2021年12月21日 0

你喝下的每一口水,都藏着这5个未解之谜

说到水,我们一点也不陌生。它在日常生活中随处可见。这样一个简单的分子一直处于科学关注的前沿。它不仅在量子领域闪耀,而且在最基本的物理和化学性质上颠覆了我们最初的认知。

你喝下的每一口水,都藏着这5个未解之谜

水很无聊这是我妈妈的话,它似乎反映了大多数人的观点,普通的水,不是很简单吗?

水很常见。它是宇宙中第三个常见的分子。然而,与我母亲的观点相反,它也很复杂。接下来,我们将介绍几个与水有关的科学问题,至今尚未解决。

到底有多少种冰?

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型冰在地球上很常见。第二种形式的结晶冰是IC型,它在高层大气中存在少量,而另外15种形式的冰只出现在非常高的压力下。(星际空间也有大量的冰,但它们通常以无形的非晶态冻结在粉尘颗粒上。

如此多种结晶冰形式来自水分子之间的四面体网络,由相邻水分子之间的强氢键组成。在水的凝结相中,每个水分子都尽可能优化形成氢键的能力,即在近四面体的键角方向形成四个氢键,而Ih型冰中的氢键形成开放低密度的三维结构。

你喝下的每一口水,都藏着这5个未解之谜

冰:液态水(左)由氢原子(白色)和氧原子(红色)组成,排列在几乎四面体的结构中。普通冰(即I)h型冰,右图)的结构是密度较小的三维网络,这就是冰会浮在水面上的原因。(图片来源:Wikimedia)

对结晶冰、单质碳、硅、磷等四面体物质施加压力,可使低密度固体形式坍缩,形成一系列密度升高结构,可能直到极端密堆积结构不再继续坍塌,形成我们观察到的17种结晶冰形式。未来会有更多的发现吗?

液态水有两种吗?

几十年前,日本科学家声称,他们在高压下观察到了固定冰的转换,因为固定冰基本上是相应的液体静态快照(frozen),没有固定冰意味着必须有两种液体水:传统的、低密度的水,以及类似于高压无固定冰的高密度水。

随后的模拟推断,他们研究了当温度低于点,但高于冰区域(不存在于低于该温度的液体水)时,水可能会发生变化。因此,他们发现了两种液体水之间相变的证据。

然而,一些科学家认为这些结果是人为的。此外,根据统计力学的原理,这种变化不太可能发生。它们发生在远离平衡的地方,难以观察和模拟。事实上,远离平衡的行为是凝聚态理论的前沿领域。

水是怎样蒸发的?

液体水的蒸发率是现代气候模型中的主要不确定性之一,它决定了云中水滴的大小分布,反过来又决定了云如何反射、吸收和散射光。

然而,水蒸发的确切机制尚未完全理解。蒸发速率通常表示:分子之间的碰撞速率乘以一个修正因子,也称为蒸发系数,在0和1之间变化。几十年来,该系数的实验测量值甚至超过了三个数量级,这也阻碍了该系数的理论计算。这个过程需要大量的计算和长时间的模拟时间。

你喝下的每一口水,都藏着这5个未解之谜

加州大学的Daviting和同事们使用了一种可以描述这种现象的理论,即过渡路径样本(transitiong,计算水的蒸发系数,他们得到了接近1的值,这与最近的液体微喷雾(liquid)相当,普通水和重水的蒸发系数为0.6。

然而,仍然存在几个问题。首先,目前还不清楚为什么在相当于大气压的条件下获得的实验值要低得多;此外,过渡路径取样模拟理论表明,蒸发的本质是一个非常大的毛细波,它会沿垂直于液体表面的方向移动。它拉长了与蒸发水分子相连的氢键,削弱了这些氢键的力量,使水分子能够摆脱相互束缚,蒸发。在水中加入盐会增加表面张力,抑制毛细波的振幅,这应该降低蒸发率,但实验结果表明,加盐对蒸发率几乎没有影响。

水的表面是酸性还是碱性?

尼亚加拉大瀑布周围的雾是不寻常的:单个水滴的流动就像可移动的负电荷,大多数瀑布也是如此。长期以来,这一现象一直被用来证明,负电氢氧根离子(OH-)聚集在液滴表面,这意味着液滴表面呈碱性,pH值大于7。事实上,这一想法已成为胶体科学领域的默认事实。

液体水中有大量断裂的氢键,因此表面的化学环境与相(无断裂的化学键)完全不同。最近的一些实验和计算研究指出,液体水的表面可能是由氢离子(H体)主导的,而不是氧根负离子,产生酸性(pH值小于7)带正电表面。

许多重要的化学和生物学过程,如气溶胶-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,直接取决于水表面的pH值,但它仍然是一个未知的数量。

5纳米水有什么区别?

水并不总是在海洋中流动,无论是在自然界还是在人工设备中,水往往局限于难以想象的小空间,如反胶束、碳纳米管、质子交换膜和干凝胶(多孔玻璃固体)。

在一个只有数百个分子大小的小空间里,受固体墙限制的水分子开始表现出量子力学效应,包括离散性和量子相干性,这与体相水分子的性质完全不同。这些独特的量子力学性质有着深远的影响,从生物细胞到地质结构都可能受到影响。这种现象也可能具有相当大的实际应用价值,如脱盐系统(去除水中的阴阳离子)。

然而,目前的结果仍然有些模棱两可,科学家需要做更多的工作来确定水分子的本质。

来源:科普中国综合环球科学