爭論：水到底是一種液體還是兩種液體

水很尋常，它在生活中司空見慣，我們洗衣、做飯、飲用都離不開它。它可以變成水蒸氣，也可以結(jié)成冰......我們似乎對(duì)水最了解不過了，但是，這看似普通的水卻仍然有很多待解的謎題，科學(xué)家甚至連它是一種液體還是兩種液體都還在爭論呢。

在第二臨界點(diǎn)水是兩種液體？

眾所周知，水有3種存在形態(tài)：液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)。如果壓強(qiáng)或溫度改變，水的狀態(tài)就可能發(fā)生變化。溫度不變，壓強(qiáng)減小，液態(tài)水會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水。比如，在平原地區(qū)，90℃的水是液態(tài)的，但到壓強(qiáng)小的青藏高原就變成了氣態(tài)。壓強(qiáng)不變，溫度升高，液態(tài)水也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水。

水在兩種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過程中，總有一個(gè)過渡點(diǎn)。比如在液態(tài)和氣態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過渡點(diǎn)上，水既會(huì)表現(xiàn)出液態(tài)水的性質(zhì)，又會(huì)表現(xiàn)出氣態(tài)水的性質(zhì)，如液似氣，兩種形態(tài)無法區(qū)分，過了這個(gè)點(diǎn)后，它就會(huì)變?yōu)榉且杭礆饣蚍菤饧匆旱臓顟B(tài)。這個(gè)點(diǎn)被稱為“臨界點(diǎn)”。比如，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，0℃是水在固態(tài)和液態(tài)之間轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)，100℃是水在液態(tài)和氣態(tài)之間轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)。

1992年，美國波士頓大學(xué)的科學(xué)家彼得·普爾和吉恩·斯坦利在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，意外發(fā)現(xiàn)，低溫下水的密度會(huì)發(fā)生起伏，溫度越低，密度起伏越大。他們對(duì)這一反常的現(xiàn)象很感興趣，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，溫度越低，分子越不活躍，密度起伏應(yīng)該越小。

為了弄清這是怎么回事，普爾和斯坦利的團(tuán)隊(duì)模擬了水在過冷狀態(tài)下的變化，所謂過冷水指的是溫度低于0℃的液態(tài)水。模擬結(jié)果顯示，過冷的水中確實(shí)存在密度起伏，且密度起伏隨溫度降低而增大。

對(duì)于這種密度的變化，他們給出的解釋是，水有第二臨界點(diǎn)。在第二臨界點(diǎn)之上，水會(huì)在兩種狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)變。由于兩種狀態(tài)性質(zhì)不同，因此任意一種轉(zhuǎn)化成另外一種時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致突然的密度變化，這一變化在臨界點(diǎn)時(shí)最為顯著。在這個(gè)臨界點(diǎn)處，水由兩種密度不同的“水”組成。也就是水不是一種液體，而是兩種液體。

兩種液體的說法還沒有“實(shí)錘”

“所謂水是兩種液體，就是一種密度高一點(diǎn)的液體和一種密度低一點(diǎn)的液體的混合。因?yàn)槊芏炔煌?，兩者之間的氫鍵、長度、相互作用的強(qiáng)度也會(huì)不一樣，這樣就使它的各種性質(zhì)比如粘滯性和擴(kuò)散系數(shù)，也有差別。”中國科學(xué)院物理研究所研究員孟勝告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

然而，對(duì)于水是兩種液體，不少人持懷疑態(tài)度，甚至有科學(xué)家批評(píng)這個(gè)結(jié)果是偽造的。大多數(shù)研究者認(rèn)為水的性質(zhì)可以用常規(guī)的理論來解釋。其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在非常低的溫度下，過冷的水會(huì)轉(zhuǎn)變成一種無序的固體，亦或是這是水在凝固時(shí)的一種特殊現(xiàn)象。

癡迷于水研究的瑞典斯德哥爾摩大學(xué)科學(xué)家尼爾森綜合了他多年來在常溫常壓下所做的水實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，密度較低。在常溫常壓下，低密度的水分子隨機(jī)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(zhì)疑聲中，尼爾森決定用實(shí)驗(yàn)來讓大家看到水的第二臨界點(diǎn)。2017年，他遠(yuǎn)赴韓國，借用最先進(jìn)的技術(shù)制出超純凈的液態(tài)水，并通過實(shí)驗(yàn)證明了水在同一壓強(qiáng)、同一溫度時(shí)，存在兩種不同的密度，他興奮地宣布，找到了水的第二臨界點(diǎn)。

有不少人認(rèn)同尼爾森的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但還有人提出了質(zhì)疑，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中記錄對(duì)象是水滴，而水滴在整個(gè)過程中體積的變化極小，對(duì)于這微小的體積變化的解釋有許多種，而第二臨界點(diǎn)只不過是其中一種，尼爾森不過是為了切合自己的設(shè)想而選中了這種解釋。

在孟勝看來，雖然一直都有人認(rèn)為水是兩種不同性質(zhì)的液體的混合，但現(xiàn)在還沒有確鑿的證據(jù)，并沒有被完全證實(shí)，這種觀點(diǎn)還處在假說的階段。

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水是兩種液體？冰也有17種形態(tài)呢！

據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)，固態(tài)水即冰共有17種晶體形態(tài)。但是在實(shí)驗(yàn)室外，只有一種是地球上普遍存在的，它稱為“冰Ih”。還有一種冰Ic，只少量存在于大氣圈上層。此外的15種冰，只有在極高的壓力下才能產(chǎn)生。冰晶之所以形態(tài)如此多樣，都是因?yàn)橄噜彽乃肿佑脧?qiáng)大的氫鍵構(gòu)成了一個(gè)四面體的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)水處于凝聚態(tài)時(shí)，每一個(gè)水分子都會(huì)形成近乎四面體的4個(gè)氫鍵，從而最大限度地與其他水分子結(jié)合。冰Ih中的氫鍵構(gòu)成了一個(gè)開放立體、且密度較低的結(jié)構(gòu)。

將壓力施加到冰晶、元素碳、硅和磷之類的四面體物質(zhì)上，就能將密度較低的固體壓縮成一系列密度較高的結(jié)構(gòu)，而且這個(gè)過程有可能推進(jìn)到這些物質(zhì)密度的極限。這造就了我們目前觀察到的冰晶的17種形態(tài)。不知道未來還會(huì)不會(huì)發(fā)現(xiàn)更多形態(tài)的冰。(陸成寬)

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