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水与量子力学的关系

2020/8/1 18:07:02 来源:原创 浏览:

作者:天体生物学·黄姤

水——地球上最丰富的物质之一,地球表面约70%都是水,人体约60%都是水,因此,水是每天我们都有很大概率接触到的,尽管水很常见,但是它还有很多的谜团没有解开,因为它的性状不同于其它任何物质,水比我们想象的要奇怪得多。

水——存在两个“液相”状态

液态水,就是日常里我们用来饮用及清洗的那种。

事实上我们熟知的这种水是很复杂,因为它可能同时存在两个“液相”,而不是一个,“液相”这种情况通常会在低温高压的环境下发生,大约-45℃,2400个标准大气压下,所以这不是能轻易见到的,无论如何,在这种情况下,水可以自发转变成两个共存的“液相”,冰漂浮在水面上就是一个经典的例子,两个共存的“液相”它们会分层,且每层的密度不同。

低密度部分由标准水分子四面体结构组成,也就是一个中心分子与四个相邻分子相连。但在高密度部分,会有一个额外的分子试图混入其中。

图解:左为低密度部分、右为高密度部分

目前为止,仅在计算机模型中观察到这上现象,部分原因在于模拟那些温度和气压条件,时间性极强且开销过大,但如果这个现象能被物理实验所证实,那么这将有助于解释水的其它奇异属性,比如,冰的密度不均匀存在高低两种密度区,所以冰能漂浮在水面上。

这些不均匀区域可能是两种“液相”的冰冻残留物,如果是这样的话,就可以通过这两种不同密度的构造来构建一个模型,以还原水从极低温度到常温的变化过程。

液相——物质呈现液体的状态,且在这个系统里只有液体,即均匀的溶液。

水的另一种存在状态——“玻璃相”

水什么时候会变成玻璃!这句话是不是觉得很奇怪!

水的另一种存在状态——“玻璃相”,它是处于固体和液体之间的亚态,这种状态下,水就像玻璃一样,一眼看上去就是固体,但实际上,它一直以缓慢的速度转化为液体。水,不是唯一具有“玻璃相”的物质,但它的形成方式却是很特殊的。

一般来说,当加热其它物质时,它们的热容会逐渐增加,热容就是使其温度升高1 ℃所需要的热量,热容持续增加直至玻璃化转变温度,此时,物体温度瞬间跃升100%正式转变为“玻璃相”。但加热水时,在它突然结晶变成固体前,其热容几乎无明显变化,这给测定水的玻璃化转变温度造成了极大困难。

目前为止,水的“玻璃相”大约在-123℃至-53℃之间会出现,但很难确定具体数值,所以这一研究领域被称为“无人区”,在水突然结晶这一临界点上,完全不知道发生了什么,但这至少说明,水的热容的确不正常,它的温度不会像预期的那样发生变化,尽管研究这种现象困难重重,但是我相信科学最终会解答这一谜团的,因为了解水的“玻璃相”真的可以帮助我们了解宇宙的秘密,毕竟这种形态的水是宇宙上最丰富的,而且存在于很多天体中,甚至在星际尘埃粒子中,所以解开“玻璃相态水”之谜,可以帮助我们了解它是如何形成并塑造太阳系的。

水与量子力学的关系

如果深入到水分子内部,就变得更加奇怪了,若想解释水在人体内的作用,就离不开量子力学,在研究水和带电聚合物的混合溶液,这种溶液存在于人体骨头的关节中,而且比想象的要粘稠得多,对膝盖很有帮助,但却令科学家感到困惑,曾有一段时间,科学界认为这种粘性是由聚合物之间的排斥作用造成的,同极相斥,但事情并没有那么简单,研究发现聚合物的电荷也会影响水分子相互作用的方式,使得水分子的氢键排列更加有序,分子移动变得困难,从而阻碍了溶液的流动,因此,变得更加粘稠,这样的研究结果本身就是一个巨大的科学成果,同时也是最前沿的科学解释,因为这表明,不能再将水看做化学中性背景(不带电),相反应该把它当做活性分子。

带电聚合物与重水的溶液

重水,是由氘和氧构成的水(D2O),氘是氢的一种,质量是氢的两倍,这种溶液与普通水溶 液有很大区别,分子间相互作用不同,黏度也不同,事实上这些差异十分显著,传统的化学模型也无法解释,所以要想完全发了解其中缘由需要考虑量子力学,量子效应很可能会影响两种水(冷水与热水)溶液的氢键断裂方式,因为这会影响溶液黏度。

黄姤·结语

所以不能忽视水的存在,而且它比表面看起来要复杂得多,但了解更多关于水的知识,能帮助我们更多地了解聚合物溶液的应用,以及水在人体内的作用,由于水在宇宙中的丰富性以及重要性,可以暂时收起好奇心,但水真的很奇怪,探明其中原因可以帮助人类在诸多科学领域取得更多的进步,所以下次当我们饮水或仰望乌云时,要意识到水真的很不一般。

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越是符合直观的东西,越有可能违背基本的物理定律

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Linafu168899999:分析的很科学,点赞[赞][赞][赞]

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