奇怪的液體
——水

文｜王東梅

奇怪的液體
——水

文｜王東梅

Strange Liquid - Water

水是地球上分布最廣的液體，然而，它也是最奇怪的一種液體。

水與生命

水和地球上的生命有不可分割的關(guān)系。地球上的生命是在大約三十億七千萬年前，在溫暖的海水中出現(xiàn)的。隨后，生物以各種不同的形式不斷的進(jìn)化，其中一些生物就爬上了陸地，經(jīng)過漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程，有一支就進(jìn)化成了人類的祖先。人類和生物都與海洋有著密切的關(guān)系。人體細(xì)胞周圍的液體和海水的成分非常相似。水份在人體內(nèi)的比重很大，約為成人體重的60%。

一般人都知道，水在結(jié)冰時(shí)，體積膨脹，比重減小。我們夏天吃的刨冰冰塊總是浮在水面上。在冬季，水管有時(shí)會(huì)凍裂，石頭也會(huì)凍裂，這是因?yàn)樗谑芾浣Y(jié)冰時(shí)，體積膨脹所致。

你可曾想過，要是冰比水重，會(huì)產(chǎn)生什么后果呢?如果湖泊和海洋中的冰塊比水重，冰就會(huì)沉入海底，并逐漸地積累起來，而且海底的冰塊也不會(huì)融化，因?yàn)橹挥泻Ｃ鏁竦饺展鈺r(shí)海水才是溫暖的，而日光照不到寒冷的、冰凍的海底深處。這樣，海底的冰越積越厚，最后結(jié)成一個(gè)大冰塊。其結(jié)果是，不僅會(huì)使地球上現(xiàn)存的生物死亡，而且，當(dāng)初在地球上也不可能出現(xiàn)生命。

水的透明性，使紫外線得以穿透，促使在海水中發(fā)生光化反應(yīng)，原始生命就是在這種條件下出現(xiàn)的。紫外線雖然有助于產(chǎn)生原始生命，但它對(duì)地球上生物的生存卻有致命的危險(xiǎn)，幸虧后來的地球高空中，氧原子在紫外線輻射的作用下，形成了厚厚的臭氧保護(hù)層，阻擋了大部分紫外線，地球上的生物才能安然無恙。

由于水具有透明性，所以它本身能經(jīng)受住日光無限期的照射而不會(huì)變化。只有太陽(yáng)輻射中波長(zhǎng)極短的射線才能把水分解，但幸虧這些射線照不到地面上來。另外，水受熱后也不會(huì)變質(zhì)。地球上，有一部分水處于地亮深處，那里溫度很高，但是不管經(jīng)受多高的溫度，從地下抽上來的水毫不變質(zhì)。水的這種特點(diǎn)對(duì)地球生命的發(fā)展，當(dāng)然是十分有利的。

奇異的特性

大家知道，水的沸點(diǎn)是100℃。這雖然是個(gè)常識(shí)，但很少有人注意到，它是很不正常的。水是氫和氧的化合物，它的分子式是H2O。分子式和水相似的同族化合物有硫化氫(H2S)、硒化氫(H2Se)和碲化氫(H2Te)。它們的沸點(diǎn)分別為-63.5℃，-41.5℃和0℃。按照各同族化合物沸點(diǎn)的這個(gè)分布規(guī)律看，水的沸點(diǎn)應(yīng)當(dāng)?shù)陀冢?3.5℃。如果是這樣，在地球上，在通常的溫度下，只有水蒸氣，而不可能存在液態(tài)的水。但恰恰因?yàn)樗哂羞@種不正常的沸點(diǎn)，地球上才有生命。

純凈的水是絕緣體，但當(dāng)水中含有鹽類時(shí)，它就變成了導(dǎo)體?？墒瞧婀值氖牵谀承l件下，純凈的水卻比任何含鹽類的物質(zhì)都富于導(dǎo)電性。

水是一種強(qiáng)有力的溶劑。許多物質(zhì)，無論氣體，液體或固體，水都能兼收并蓄，加以溶解。由于它有溶解物質(zhì)的本領(lǐng)，所以地球演變中水是侵蝕現(xiàn)象的主要角色，而且它還在冰凍時(shí)漲裂巖石，更進(jìn)一步加速了侵蝕的過程。

由于水不僅把它所溶解的有益于生命的物質(zhì)輸送給生物組織，同時(shí)把廢棄的東西排泄出去，幫助生物完成新陳代謝，從而維持生命。

細(xì)嫩的植物莖葉，為什么能夠挺立不倒呢?應(yīng)當(dāng)歸功于水。原來水對(duì)植物枝葉的形態(tài)起著重要的作用。它有些像橡皮胎里面的壓縮空氣。橡皮輪胎之所以堅(jiān)挺，一方面是由于輪胎本身的彈性，另一方面則是依靠輪胎里面高壓空氣的支撐作用。水在植物的細(xì)胞里面，也是處于極大的高壓之下的，因?yàn)樗腥芙馕锓置跁r(shí)，能產(chǎn)生水靜壓。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，4℃的水密度最大。世界上有幾百萬種不同的液體，但只有三種液體具有上述怪異的特性。

其它特 性

水的比熱特別高。水的溶解和蒸發(fā)的潛熱也非常之高。由于這原因。地球上的水起著積蓄熱能的巨大作用，它能夠緩慢地吸收和釋放太陽(yáng)的熱能，從而起到了調(diào)節(jié)地球氣候的作用，避免了地球表面溫度的驟變。同樣地，在生物有機(jī)體內(nèi)，水也能緩和新陳代謝反應(yīng)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

水的表面張力特別強(qiáng)。表面張力就是液體表面分子之間的相互吸引力。它使水能夠沾濕其它固體，也使它能在毛細(xì)管中向上爬升，毛細(xì)管直徑愈小，則水爬升得越高。這一點(diǎn)對(duì)生物輸送營(yíng)養(yǎng)物，對(duì)地面表層與大氣以及植物根部中的水的流動(dòng)，極為重要。

當(dāng)水的溫度降低到該結(jié)冰的程度，而仍舊保持液體狀態(tài)時(shí)，就發(fā)生了所謂過冷現(xiàn)象。云或霧中過冷狀態(tài)的水，遇到寒冷物體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生霧淞，這時(shí)它立即變成固體，使那物體包上一層薄冰。過冷現(xiàn)象也是水的一種特性。過冷的水，其溫度可低達(dá)－40℃。

水還能直接從氣體變成固體。霜是大氣中的水蒸氣，碰到低于0℃物體時(shí)直接變成的極細(xì)的晶體。雪是水氣在空中直接凝華所致，晶型呈六角形。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雪花竟有四千多種不同形狀。

同素異形冰與過熱水

在20，000～25，000大氣壓力下，水的體積并不會(huì)縮小，但當(dāng)壓力超過上述限度以后，水的分子間的距離開始縮短，水的體積就縮小了。水在高壓下逐步縮小體積，最后就形成好幾種同素異形的冰?？茖W(xué)家把這幾種冰用羅馬數(shù)字加以編號(hào)，因?yàn)樗鼈兒推胀ǖ谋煌?，它們比液體的水密度更大，在100，000個(gè)大氣壓之下的Ⅶ號(hào)冰，其溶點(diǎn)為360℃，這已接近水銀的沸點(diǎn)了。

我們雖然對(duì)水的奇異特性有了不少了解，但科學(xué)家們正在利用新穎的技術(shù)，繼續(xù)對(duì)水進(jìn)行深入的研究，因?yàn)槲覀儗?duì)許多問題沒有弄清楚，尤其對(duì)水在過熱和過冷狀態(tài)下的習(xí)性，所知甚少。

過熱的液體，即是指該液體在溫度超過沸點(diǎn)后，仍舊保持液體狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)這種過熱液體在最后變成氣體時(shí)，它所積聚的熱能急驟釋放出來，就會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的爆炸。當(dāng)然，從事能源研究的工程師們，對(duì)這種現(xiàn)象是很感興趣的。在這方面他們搞過一種試驗(yàn)，讓一滴水在一個(gè)大氣壓力下，通過一根硅酮油柱，上述油柱的溫度可以逐步升高。當(dāng)油柱溫度超過100℃時(shí)，水滴本來應(yīng)當(dāng)蒸發(fā)了，但它卻繼續(xù)向上爬，直到溫度上升到280℃時(shí)，才突然爆炸而消失了?？梢娝谏鲜龈邷貢r(shí)，其熱容量已達(dá)到極端高的數(shù)值，因?yàn)槔碚撋系臒崛萘繕O限是在324℃。

另一方面，專家們對(duì)水的超冷現(xiàn)象也在加緊研究。此外晶體狀態(tài)的水，也是新的研究領(lǐng)域。說不定研究的結(jié)果將會(huì)證實(shí)目前的一些科學(xué)假說。

（責(zé)編：劉倩瑋）

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編者按：

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