水的不可思议

水、液体的最普遍、也是最奇怪的。至少66属性,不同于大多数液体表面张力高,熔点和沸点高的热容、高和低压缩性。一个学派是水不是一个复杂的液体,但两个简单的液体有复杂的关系。对一些人来说,这句话与物理化学的基本原则;而对另一些人来说,它解释了为什么水在这种反常的行为方式。

在过去十年的学术争论达到了沸点。“[它]将很强,近乎宗教的观点在不同的科学家,”安德斯尼尔森说,化学物理学家约会在瑞典斯德哥尔摩大学和斯坦福大学在美国。化学家认为水的奇怪的属性的四面体地安排氢键网络形式,但到底是什么,特别是当水处于过冷状态,目前仍然存在争议。

就像许多其他化学家,尼尔森在他职业生涯的早期,水是很好理解的结构,但开始意识到,情况并非如此。过去10年里,他专注于理解水的不寻常的行为和他最近的工作的理论水不是一个液体,但两个不同的独立的液态结构可以共存——这种想法仍然是有争议的。

这是一个大量的氢键对于这样一个小分子

如果你看看简单的液体的热力学和动力学特性,压力和温度变化时,他们都以同样的方式,”尼尔森说。很酷的液体时,其密度增加,其热容和压缩系数降低。“地球上几乎所有的液体像。除了水。”这陌生集中到一点,水被冷却到4°C,它的密度达到最大值,下面开始减少了。

化学家们被教导的解释是,虽然大多数液体无序,水分子不断地重新排列,由于其不同的氢键网络。之间的氢键的强度较强的共价键和弱dipole-induced交互。与后者不同的是,他们是定向,每个氢原子指向一个氧原子的电子对。

这是一个很多氢键对于这样一个小分子,”马丁说卓别林,化学家和水在英国伦敦南岸大学的研究员。虽然水像大多数液体温度升高时,冷却的氢键开始发挥更重要的作用。“他们实际上强迫一个结构化的命令状态,”卓别林说。温度降低,另外结合交互补偿损失的熵有序排列的原因。

两种液体

理论来解释水的属性已经随着时间的推移不断出现。在1960年代一个理论从俄国化学家甚至建议在毛细管水分子可以形成高分子链,称为“聚合。这是认真对待,直到它变得明显,他们的结果是由于实验污染物。

的想法可能有两种不同的分子和不同的安排在液态水可以追溯到100年。德国物理学家威廉伦琴,谁第一个发现了x射线,在1892年提出,水是由两个截然不同的阶段共存的混合物。

在1990年代,两国模型返回的液态水,基于计算机模拟,试图复制水的实际行为。两种形式代表低收入和高密度水分子的安排。低密度的版本是一个less-ordered像冰一样的结构,大多数分子都被其他四人来生成一个开放的、低密度的四面体结构。高密度液体包装更高的分子,并扭曲了这些额外的分子氢键的存在,生产less-directional和较弱的分子间作用力。

在这个假设,每个组件的比例随温度变化,与更多的低密度水形成温度降低。结果是预期之间的竞争与降低温度和增加密度更低密度水的形成。这导致在4°C密度最大,以及解释水的许多其他异常属性。

去谐水

一个强大的方法来理解水已被计算机模拟。”这意味着想出一个原子论的模型,你试着调整费用和电子分布为了尽可能准确地再现水的行为,”说,数学家和分析员约翰Russo Sapienza大学在意大利罗马。罗威与合作者一起在日本东京大学,创建了一个模型,可以“untune”水分子的分子相互作用来理解它的起源异常属性。“我试图让水更少的“水”,并试图不断从水的行为行为的一个简单的液体,”他解释说。

这个过程的关键是改变氢键的强度导致四面体协调。¹这种互动的强度可以进行调优。你可以人为地使它或多或少的四面体。通过这样做你可以调整结构,改变水的宏观行为,Russo称,“许多异常现象会消失,你可以让水像一个简单的液体。”例如,通过增加“tetrahedrality”——水分子的比例与四最近的邻国——冰变得密度比水下沉而不是浮动,这是通常发生在正常的液体。

科学家们制造了一个电脑模型来减少水“水”

Russo使用两个模型,将水视为高和低密度的混合形式,但如果这些形式存在,有可能孤立他们作为单独的液体吗?1992年,模拟来自美国波士顿大学的尤金·斯坦利认为这将发生在过冷水在非常低的温度。²尽管在大气压力水在0°C结冰,没有杂质对晶体成核,这个过程非常缓慢,液态水可以冷却到约232 k (-41°C)。下面这一点,水会迅速冻结,使液体的测量是不可能的。水也存在于玻璃态低于150 k,但快速冻结以上这一点。“235 k和150 k之间所谓的“无人区”,”尼尔森解释说,这是不可能测量液相。

斯坦利的模型表明,过冷水会分离成两个截然不同的阶段在这个没有人的土地,这在如此低的温度下存在未知的临界点。一个临界点的温度和压力两个阶段之间的界限消失了;例如,水有一个临界点之间的液体和蒸汽状态在647 k和22.064 mpa和两个阶段的属性变得无法区分。建议第二临界点无人区将标志着失踪的两个液相之间的相分离。

但是发现这两个液相并不简单。“我们不能填满一杯水两种类型,但已经有一些实验间接看到这些转换,“Russo说。

一种方法一直看着低温水的非晶玻璃态。低于136 k两种类型的玻璃水的存在——一个具有低密度和另一个密度较高。一个思路是,这些也许是相当于低收入和高密度水阶段,已经提出,鉴于实验条件,可以探测到它们之间的单独的液体阶段和过渡。人们正在这条路线为这个液-液转换为了找到证据,”罗威解释道。他们从玻璃,热一下,试着看看是否有一个过渡到另一种液体结晶之前(150 k),“

尼尔森一直试图检测两种液体使用x射线散射从束水滴。我们已经开发出技术来做每件事非常快,”他解释说。如果你可以做实验在微秒级别,您可以推动无人地带的极限气温越来越低。的他的团队已经冷却10-20µm水滴注入到真空蒸发和酷非常迅速。使用50 - 100飞秒x射线激光脉冲年代,他们能够度量属性相关的任何液态水的结构出现在下降。我们已经能够去227 k,所以我们看到的发生在这个没有人的土地,”尼尔森说。³

Widom教授行

2017年尼尔森的研究小组发表了开创性的结果,他们声称提供更多证据的两国模型,有助于解释水的奇怪的行为,因为它是冷却。他们发现Widom教授一行——命名本杰明Widom教授名誉在美国康奈尔大学的化学教授。这条线项目从相图的一个临界点,在水的情况下,代表了一种液相分成两个区域,一个液态水的行为更像高密度阶段(在高温,高压侧),另一个更像低密度(低温,低压侧)。

Widom教授线附近液体经历的最大变化率两种形式之间的液体和一个阶段有可能在另一种形式。Widom教授一行的存在及其相关的临界点可以解释为什么水波动之间的低和高液体密度高于临界点。甚至在一个阶段中,尼尔森的假设表明,Widom教授线附近,非常小的口袋的低密度液体温度降低,解释为什么水的密度减少从4°C到冰点。

从x射线散射实验的水滴,尼尔森能够电子密度涨落计算和确定水的压缩系数的最大值在229 k和0酒吧的压力,这将是与Widom教授线附近的行为预期一致。在这条线,液体结构经历了最快的结构转变,因此最可压缩。⁴尼尔森继续寻找临界点的确切位置。我们认为它可能在1附近的温度制度千巴在210 k (100 mpa),”他说。

怀疑论者

但并非所有人都满意的假设。有很多人非常怀疑,水是两种液体的混合物,”艾伦说酣睡在牛津郡的卢瑟福阿普尔顿实验室,英国。“就我个人而言,我很难想象你是如何可以有两种不同类型的水分子。

酣睡说,他并不否认可能有第二个临界点是杳无人烟的地区,但他说,水可能包含补丁的两种类型的水环境条件意味着临界点以上相分离。“我的观点是你不能相分离如果你上面第二个临界点——它没有任何意义,否则不是一个临界点。你不能有你的蛋糕和吃它。”

酣睡认为,如果补丁的两种类型的水,这将从x射线散射探测实验。你必须有一个更高的散射,散射并不是。例如,他说,从x射线散射众所周知,混合物,如石油和水胶束结构,显示水地区之间巨大反差和石油地区,与大量的散射引起的不同地区之间的密度波动,这并不是见过水。

你不能有相分离如果你第二个临界点之上

但尼尔森说,他并不认为他的补丁构成临界点以上两个阶段。“没有两个阶段,但波动区域在液体中——这是不同阶段。他说这些可能是50或100分子大小和不断互换与周围分子。他描述了安排客人在婚礼或舞会——在一个领域,人们移动和舞蹈;在另一个坐在表——区域是不同的,但人们(或分子)不断地从一个到另一个。尼尔森说一个简单的液体模型并不能解释异常属性显示。

另一方面,2019年x射线散射来自亚历山大Fohlisch领导的研究小组的研究从Helmholtz-Zentrum柏林和波茨坦大学的发现结果可与液态水的连续分布模型在环境条件的顺序,将每个水分子的贡献平均约1.75每个分子氢键捐赠和接受。⁵因此他们得出结论,即使波动可能发生在相界面附近,在环境条件两个模型是不可能的。

有趣的是我们凝视区域存在生命吗

酣睡的想法认为,而不是离散的两种液体,冷却时赋予水独特的性质是逐渐“冻结”的水分子的定向排列顺序在四面体排列,即使他们仍在运动,作为液体的预期。”正是这种变化的定向排列顺序的水似乎被忽视所有的讨论,”他说,这可以解释水的显著行为不需要两个不同的州在临界点。

仍没有共识物理化学家如何水行为。这似乎是一个纯粹的深奥的辩论,但水的不同寻常的特性,特别是在非常低的温度下,对科学的其他领域有影响。这影响了气候模型[在]高压,[和]外星人水,我们可能会发现其他星球上,或[水]nano-confinement,“Russo说。例如,最近的一项研究表明,水液滴的表面比大体积的水更加有序,可比状态与强烈的氢键过冷水,即使在房间临时消失。⁶

是否两种液体的混合物或只有一个,水的属性也是生物学的基础。“水是给(核酸)他们的有趣的结构和性能,并与蛋白质是一样的,”卓别林说。生活本身蓬勃发展,因为冰的密度小于水的密度,使生物生存在浮冰下面层。“有趣的是我们凝视区域存在生命,当水的异常行为出现,”尼尔森说。根据他的两国模型,只有在温度低于50°C,水成为低收入和高密度液体的混合物,这也是生命存在的温度区域。“这是一个巧合,还是有什么重要的呢?“尼尔森问道。“我们还不知道。”

瑞秋巴西是一个基于科学作家在伦敦,英国