水是兩種液體

岳棠

奇特的水

水很普通，小到細胞，大到汪洋，都有水的存在；水很尋常，喝水、洗浴、澆花……生活中的點點滴滴都有水的參與。

但水又是奇特的，一般的物體會“熱脹冷縮”，水有時候卻是“冷脹熱縮”，水在4℃左右時的密度比冰的密度還大；水的比熱容比大多物質都大，吸熱能力極強；水有很好的承載能力，是最好的溶劑，能溶解許多物質。

水的這些奇特之處又都是有意義的，如果低溫的水密度比冰小，那么冬天時，湖泊、河流的水就會從底層開始層層冰凍，水里的生物就沒有了立足之地；如果水的比熱容沒有那么大，吸收不了大量的熱，那么夏天的湖泊、海洋大概會是沸騰的；如果水沒有強大的溶解能力，也就無法為細胞運輸它所需要的營養(yǎng)物質。

總之，水是奇特的，它的奇特又是我們必需的。但是，水為什么會如此奇特呢？這個問題一直困擾著科學家，對它的研究可追溯到伽利略的時代，但當時卻是一無所獲。最近，有科學家對此給出了新的解釋，這個解釋與水一樣奇特：其實，水不是一種液體，而是兩種。

第二臨界點

水有三種形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，處于何種形態(tài)取決于溫度和壓強。比如在平原地區(qū)，把水加熱到100℃，它會沸騰，形成水蒸氣，而在青藏高原，這里氣壓比平原地區(qū)低，把水加熱到90℃左右，它便沸騰了。

在一般情況下，液態(tài)和氣態(tài)的水是很好區(qū)分的，肉眼可辨。但若是改變壓強和溫度，情況會發(fā)生變化。溫度不變，壓強減小，液態(tài)水會逐漸轉變?yōu)闅鈶B(tài)水。例如90℃的水，到壓強小的青藏高原就成了氣態(tài)水。壓強不變，升高溫度，液態(tài)水轉變?yōu)闅鈶B(tài)水。在兩種形態(tài)的水相互轉化的過程中，總有一個過渡點，在這個點處，水會既表現(xiàn)出液態(tài)水的性質，又表現(xiàn)出氣體水的性質，似氣似液，兩種形態(tài)無法區(qū)分，過了這個點后，它又會變?yōu)榉且杭礆獾臓顟B(tài)。這個點被稱為“臨界點”。如在標準大氣壓下， 0℃為水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的“臨界點”， 100℃為水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的“臨界點”。

幾乎所有的物質都有氣液轉化的臨界點，而有些特別的物質擁有“第二臨界點”。例如，使液態(tài)硅和液態(tài)鍺的混合物在特定條件下冷卻，就能得到一種由兩種密度不同的液體組成的混合液體，奇特之處在于，這兩種密度不同的液體的組成原子相同，但結構不同，因而表現(xiàn)出的性質不同。液態(tài)硅和液態(tài)鍺混合物表現(xiàn)出這種性質的點就是“第二臨界點”。

不過，如果你不去專門研究液態(tài)硅或液態(tài)鍺，大概對此并不感興趣?？茖W家也是如此，除了專門研究這個領域的，他們對此并不在意，直到1992年，美國波士頓大學的研究者開始讓大量的目光聚焦在“第二臨界點”上，他們提出，水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)也有第二臨界點，在第二臨界點時，水會表現(xiàn)出兩種液體的性質，換句話說，水有兩種液相。

1992年，波士頓大學的研究人員在做實驗的時候，偶然發(fā)現(xiàn)，壓強一定，在溫度低至凝固點時，水的密度會變小，并且溫度越低，水的密度越小。這種情況很反常，通常，溫度越低，物質分子越不活躍，密度越大。為了探究這種情況下，水到底發(fā)生了什么變化，研究人員用計算機做了模擬實驗。他們模擬了水在過冷狀態(tài)的變化，過冷水指的是溫度低于攝氏零度的液態(tài)水。結果發(fā)現(xiàn)，壓強一定，水的密度的確在溫度降低時越來越小，并且在溫度急劇下降時，水的密度出現(xiàn)了很大的變化。

對于這種密度的變化，他們給出的解釋是，水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時有第二臨界點，根據(jù)計算機模擬，他們判斷在標準大氣壓下，水的第二臨界點很可能在零下45℃。在這個臨界點處，水由兩種密度不同的“水”組成，就像液態(tài)硅和液態(tài)鍺的混合物，在此臨界點處，水分子有兩種不同的排列形式，從而使液態(tài)水出現(xiàn)一大一小兩種密度共存的狀態(tài)。

這種解釋是顛覆性的，當然不乏持懷疑態(tài)度的人，有人認為傳統(tǒng)的觀點便可以解釋這種奇特的現(xiàn)象，比如在低溫條件下，水其實變成了一種無序的固體，亦或是這是水在凝固前的掙扎，是一種特殊的凝固過程。

當時，波士頓大學的研究團隊堅持自己的理論，卻無法用真正的實驗證明他們的觀點，因為在計算機之外的現(xiàn)實中，水在零下45℃的條件下，人們幾乎不可能看到液態(tài)固態(tài)兩種形態(tài)無法區(qū)分的現(xiàn)象，即過冷水的狀態(tài)。“水是兩種液體”這種理論似乎走入了絕境。

水是兩種液體

但仍有堅持這一理論的人，瑞典斯德哥爾摩大學的尼爾森就是其中之一。癡迷于研究水的尼爾森綜合了他多年來在常溫常壓下所做的水實驗的數(shù)據(jù)，提出：水的確有兩種不同的液態(tài)，其中一種，水分子是無序而致密的，另一種則是規(guī)則的四面體結構，密度較低。在常溫常壓下，低密度的水分子隨機嵌入高密度水分子中，但人們不可能看到這種現(xiàn)象。在眾人的質疑聲中，尼爾森決定用實驗來讓大家看到水的第二臨界點。2017年，他遠赴韓國，借用最先進的技術制出超純凈的液態(tài)水，并通過實驗證明了水在同一壓強、同一溫度時，存在兩種不同的密度，他們興奮地宣布，找到了水的第二臨界點。

外界驚嘆于本次試驗中的先進技術，也有不少人認同了尼爾森的實驗結果，但還有人提出了質疑，認為實驗中記錄對象是水滴，而水滴在整個過程中體積的變化極小，對于這微小的體積變化的解釋有許多種，而第二臨界點只不過是其中一種，尼爾森不過是為了切合自己的設想而選中了這種解釋。

對于“水是兩種液體”這一理論的研究還在繼續(xù)。

走出實驗室

如果“水是兩種液體”是正確的，有什么意義呢？其實，與我們息息相關的并非過冷水，而是常溫常壓下的水，如果“水是兩種液體”的理論是正確的，這意味著在常溫常壓下的水也存在兩種密度的水共存的狀態(tài)，雖然我們無法觀察到。那么，當理論走出實驗室，是否能與生活有所聯(lián)系呢？

科學家認為，水是兩種液體，這個看似奇怪的理論恰恰能夠解釋我們身邊的水的反常之處。比如，為什么水在4℃時密度比冰大？常壓下，如果從4℃的水轉變?yōu)?℃的冰狀混合物，在微觀尺度下，就是原本排布無序的水分子逐漸從無序的狀態(tài)轉變?yōu)橐?guī)則的狀態(tài)，根據(jù)上述理論，低溫時，無序狀態(tài)的水密度更大，顯然4℃時密度更大。

相信在未來，更多關于水的謎題將會被解開。