水到底是一种液体还是两种液体

2019-03-15 03:35:55  来源:科技日报  

视觉中国

    身边的谜题9

    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。