水不是一種液體，而是兩種_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！03-27 09:56
撰文 | 瞿立健
我們這個世界有很多“怪異”的東西，比如量子、黑洞、暗物質、暗能量、宇宙起源，等等。這些東西離我們的日常生活有點遠，不過，日常生活中也有與這些東西同樣怪異的東西，那就是——水。
怪異的水
司空見慣的水在科學上卻是最怪異的液體。有科學家列舉出水至少有66種反常性質。這些怪異的性質裏，很多體現在專門的科學實驗裏，也有一些性質可以輕鬆表現出來。
把一塊冰——固態的水——扔進冷液態水裏，你會發現，冰會浮在水面上，因為冰的密度小於液態水。這就是怪事一樁，一般液體凝聚為固體，密度增大，因為原子或分子在固體中的排列比在液體中更緊密。
湖面正在結冰的時候，用温度計測一下各深度處水的温度，水面處温度為0℃，而湖底部温度為4℃，這是因為水在4℃時密度最大。
液態水的密度大於冰，且冰點時其密度小於温度稍高時的密度，否則，湖泊和河流會從下往上結冰，水中生物將難以存活。這對生命有重要意義，更不用説它們挺過歷史上多次漫長的冰期。
另一方面，讓水升高一定温度，需要吸收的熱比一般液體出奇得高，常下廚房的讀者都有生活經驗，油的升温要比水快。水吸熱能力強，這也有意義——如果吸熱能力很差，氣候稍有變化，生態系統將遭受滅頂之災。
水結冰時要膨脹，冰溶解時卻收縮。水至少能形成17種晶體——即冰。
本文後面會再列舉幾種水的怪異性質。
我們應該對水的怪異性質有感恩之心，否則，複雜的生命或許不會存在，我們也就沒有機會閲覽這篇文章，體會水的神奇。
水為什麼行為怪異？
科學家思考問題，一般秉持還原主義思維，物質性質源自物質的結構。
那麼，水是什麼樣的結構呢？
雙水記
故事追溯至1976年。
美國普度大學的奧斯汀·安吉爾（Austen Angell）和羅賓·斯皮迪（Robin Speedy）將水降温，想看看水能降到多低的温度。
你可能會問，降低到0℃不就結冰了嗎？
不一定，如果容器內非常潔淨，水非常平靜，在0℃以下仍會保持液體狀態，這叫“過冷水”。
安吉爾和斯皮迪發現一些奇怪的現象：温度越低，過冷水的密度分佈愈發不均勻。常理來説，温度越低，水的密度應該越均勻。
水裏面發生了什麼事情？
限於當時的實驗條件，無法觀測得更細緻。
1992年，美國波士頓大學的彼得·普爾（Peter Poole）和吉恩·斯坦利（Gene Stanley）對水進行了計算機模擬研究（Nature 1992, 360, 324–328），重現了實驗中類似的現象。更重要的是，計算機模擬可以計算體系的各種性質，甚至分子的具體運動情況。
普爾和斯坦利根據他們的計算機模擬結果，看出過冷水的行為其實和普通水變成水蒸氣的情況很類似。普通水在一些特殊條件下，密度分佈也會變得極端不均勻。下面我們先簡單介紹一下水從液體變為氣體的過程。
如上圖所示，液體壓強保持為P0，升温，即液體狀態按圖中線LQ移動，到達點Q時，一部分液體開始汽化，即變成氣體。此時儘管繼續加熱，但温度卻不再升高，而是保持在T0。直到全部液體變成氣體，温度才繼續沿QG升高。在各種壓強下做實驗，可以得到一系列氣液共存的點，把這些點連起來，就得到一條曲線——汽化線。
一直升温或加壓，汽化線會一直延伸下去還是在某個點戛然而止？
實驗發現，汽化線有個終點，這個點叫作臨界點，即下圖中的點。
臨界點之外，物質是處於氣態還是液態？
這個問題是沒有意義的，因為臨界點之外，氣態和液態的差別不復存在。沿圖中虛線做實驗，物質可以從液態點連續地變成氣態。
在氣液相變的臨界點附近，密度分佈也是極端不均勻的。一個相關的實驗現象是臨界乳光，如下圖所示。（編者注：可參見《臨界現象200週年，是誰最早發現了這個物理現象？》）
一般來説物質有氣態、液態和固態三種狀態。不過，物理學中更常用的詞是“相”，而不是“態”。
物質的“相”的種類比一般所説的“態”的種類要多得多。也就是説，對應於同一個態，還可以有許多不同的“相”。比如，水的固態是冰，但冰有很多種不同的結晶方式，它們對應於不同的“相”。
物質從一種相轉換成另一種相，稱為相變。水從液態（或稱液相）變成氣態（或稱氣相）就是一種相變。
我們回到普爾和斯坦利的實驗，他們通過計算機模擬發現，過冷水在某温度附近密度也會變得及其不均勻，這與氣液相變臨界點附近的情況很類似。於是，普爾和斯坦利設想，那裏是個臨界點，過冷水也可以發生相變，兩相分別是低密度水和高密度水。
普爾和斯坦利的設想得到後續更精確的水模型的模擬結果支持，顯示他們的猜想很靠譜，即水除了汽化線的臨界點之外，過冷水還有一個臨界點。
實驗上能不能看到這個臨界點呢？
很難，這個臨界點在-45℃，在這麼低的温度下，水很容易就結冰了。
全世界多個傑出的課題組展開了研究，努力了26年，在2017和2018年，兩個獨立的精巧實驗 (Science 2017, 358, 1589; Science 2018, 359, 1127) 確定，第二個臨界點是存在的，過冷水在適當條件下可以發生相變，即存在兩種結構的水。
具體是什麼樣的結構呢？
瑞典斯德哥爾摩大學的安德斯·尼爾松（Anders Nilsson）教授與其合作者在這個方面做了系統的工作，我們直接介紹他們所得到的結論。
一水兩構
水的結構是水分子之間的相互作用決定的。
水分子由兩個氫原子和一個氧原子組成，兩個氫原子分別與氧原子緊密結合在一起，形成V字型結構，它們之間的結合方式化學家稱之為“共價鍵”。
水分子整體是電中性的，但在分子內部，電量分佈是不均勻的，氧原子略帶負電，而兩個氫原子略帶正電。當一個水分子中的氧原子和另一個水分子中的氫原子靠近時，兩個水分子之間就會產生吸引作用，這種作用化學家稱為“氫鍵”。
氫鍵要比共價鍵弱得多，很容易被破壞。有人形象地説：“氫鍵相當於兩個人手拉手，可以拉也可以分。共價鍵連接的是你自己的手和腳，不能分開。”
尼爾松根據他們的實驗結果，提出水分子在氫鍵的影響下，可以有兩種排列方式，按四面體有序排列或隨機無序排列，分別組成低密度水和高密度水。
以上理論可以解釋水的諸多反常性質，下面略舉幾例。
正解反常
• 冰的密度比水小。
冰中的水分子排列方式與低密度水中水分子排列方式相同，即四面體結構，而水中還有無序結構的高密度水，因此，水的平均密度大於冰的密度。
• 水在4℃時密度最大。
在0°C時，水分子更多地處於四面體結構的有序相，即低密度水佔優勢。極端情況下，如果完全沒有無序的高密度水，液態水就結成冰了。温度升高，分子無規則的熱運動就越劇烈，有序結構就越少，高密度水越佔優勢，即水的密度升高。但當温度達到4°C以上時，分子熱運動使水分子間距隨温度升高而增大，水的密度因而降低。
• 水的比熱容顯著大於絕大多數液體。
加熱物質，使其升高一定量的温度，但水比其他液體需要熱量更高，即比熱容更大，因為水需要一部分熱量來破壞低密度水的四面體結構。
• 水的比熱容隨温度升高先減小後增大，在35°C時有個極小值，而絕大多數液體的比熱容隨温度升高而一直增大。
在0至35°C之間，温度升高導致水中的四面體結構不斷被破壞，便於水分子做無序的運動；隨着温度升高，四面體結構越來越少，水顯得吸熱能力在降低。温度達到35°C時，水中四面體結構破壞殆盡，水的比熱容開始表現得類似一般液體了。
• 水的壓縮率——加壓之後，減少的體積與原體積之比——隨温度升高先減小後增大，在46°C時有個極小值，而絕大多數液體的壓縮率隨温度升高而一直增大。
隨着温度升高，46°C之前，水錶現得難於被壓縮，這是因為低密度水的結構逐漸解體，高密度水比例越來越高。温度達到46°C之後，水中幾乎只有無序的高密度水，行為類似普通液體，温度越高越易被壓縮。
比熱容體現的是微觀結構數目的變化，壓縮率體現的是分子堆積的鬆緊程度，二者極小值不落在同一温度，是正常的。
• 水比絕大多數液體難以被壓縮。
這是氫鍵帶給水分子之間強烈的吸引力造成的，尤其是對於高密度水。
• 高壓下水分子更易於擴散。
高壓可破壞四面體有序結構，水分子排列越無序，越易於擴散。
• 水受熱膨脹，加壓，更膨脹……
加壓使水更無序，因而易於膨脹。
不再列舉水的更多反常性質予以解釋了。總之，水分子有兩種排列方式，這個理論與實驗相符，且能一致地解釋水的反常性質。
水的怪異性質的奧秘開始浮出水面，只不過，這讓水顯得更怪異。
主要參考資料
New Scientists, 2018, 238, 3180, 26-29New Scientists, 2010, 205, 2746, 32-35Chem. Rev. 2016, 116, 7463−7500The weirdness of water https://www.chemistryworld.com/features/the-weirdness-of-water/4011260.articlePhysics Today, 2017, 70, 18-21物理, 2010, 39, 79-84
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