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为什么有些水不在零度结冰呢(水为什么零度以下不结冰)

导语:为什么有些水不在零度结冰?

这看起来像是一个很傻的问题,因为就连小学一年级的孩子都知道水在0℃时会结冰,中学课本也明确写着水的冰点是0℃,绝大多数的科学资料中也将标准大气压下水的凝固点定为0℃,把这个问题拿出来讨论纯粹就是没事找事。

但事实果真如此吗?我们今天就来说道说道水结冰的科学。

水的冰点其实远低于0℃

当我们将一杯自来水放入冰箱,它会在0℃时就冻成冰块,这似乎印证了课本上的说法。但如果你是一个有洁癖的人,你将杯子洗得极干净,再倒上一杯蒸馏水放进冰箱,就可能发现一种奇怪的现象:你从冰箱里取出的还是一杯水,而当你把杯子放在桌子上再往里插进一根吸管时,它冻上了。

如果你嫌洗杯子麻烦,还可以直接把从超市里买来的纯净水直接放进冰箱冰冻室,也可以得到类似的结果。这个实验成功的前提是你放进冰箱的一定是纯净水或蒸馏水,矿泉水或天然水都不行,同时你从冰箱里取出瓶子时动作要十分轻柔,这个道理我们放在下面讲。

一个过冷水的实验

聪明的你一定想到了,这种现象叫“过冷水”。也就是说,你从冰箱里小心拿出来的水实际上已经低于0℃,只是某些条件未满足,它并不会冻成冰。

水为什么结冰?

水在室温下是液体,它由无数水分子组合而成,每个水分子中有一个氧原子和两个氢原子。氧原子的最外层有两个孤对电子,它容易从外界得到两个电子,氢有一个电子,这样氧就与两个氢原子共同结合成了一个米老鼠头形状的水分子,两个氢原子就像米老鼠的耳朵。

水分子3D模型

由于氢原子的电子被吸引到了氧原子的那一边,所以水分子氢原子的这一边带正电,而氧原子那一边就带了负电,这使得水分子有了极性,这是水分子能形成氢键的关键因素。

水分子有极性

当许多水分子聚集在一起时,带负电的氧原子会与另一个水分子带正电的氢原子相互吸引,从而形成氢键,这样每一个水分子就可能与它周围四个水分子组成氢键。事实上,水的绝大多数物理和化学特性都与这些氢键有密切关系。

水分子通过氢键结合

由上面的分析我们可以看出,水分子是由氢键这种静电引力相互结合在一起的,由于这种力比较弱,每个水分子都可以在自己的位置上晃动,它们之间也可以随时变换位置,因此水在常温下表现为流动的粘性液体。

随着温度逐渐降低,水分子得到的能量越来越低,它晃动的幅度越来越小,当氢键的静电力占优势时,水分子之间的位置会相对固定下来,从而形成结晶。这就是固体的冰。

水分子在冰晶体中的排列

水发生相变的条件

水通常有气态、液态和固态三种形式(超流体等等在此处忽略),这三种形式又被称为水的三种相,水的相变受温度和压力的影响,通常体现在下面这张相变曲线图上。

水的相变与温度压力关系

事实上,当水处于合适的温度时时,它并不能马上发生相变,水的凝结还需要另一个重要因素,那就是它需要一个凝结核。这被称为“成核效应”,无论是气态水凝聚为液体还是液态水结冰,单有水分子不行,它还需要有杂质参加进来,否则完成相变的温度会发生大幅度改变。

自然界中的水大多含有丰富的杂质,其中包括一些微小的固体颗粒物和我们看不见的矿物盐,这些杂质由于与水分子带有不同的电荷,它们也更容易改变其周围水分子的运动状态。研究表明,如果这些杂质颗粒或分子带有更多的正电荷,它就更容易让其周围的水分子减少振动,因为杂质的分子更大,正电荷的杂质会吸引水分子中的氧原子,将其强行固定下来,从而带动周围其它水分子成核形成结晶。

所有雪花都是空气中的水气在灰尘杂质周围成核形成的冰晶

纯水难以成核凝结

纯水大多通过蒸馏或反渗透技术制成,它中间含有杂质数量极少,所以纯水缺乏成核条件。现实中制备超纯水很难,但科学家们已经通过实验得出标准压力下超纯水只有在-48.3°C时才会均匀成核,这是因为在超纯水中没有杂质,尽管水分子振动幅度极小,由于没有成核位置,它与周围其它水分子之间的氢键很难固定下来,这时候水还是液态的过冷水。

过冷水始终处于结晶的临界状态,一旦你向其中投入凝结核,或者哪怕是一颗细小的灰尘或冰晶,它会以此为中心以极快的速度结晶,变成一整块冰。

另一种情况是过冷水发生振动,也会迅速成核结冰。当你用玻璃棒搅动它,或者轻轻敲击杯子,其中的一部分水分子会因受到振动改变角度,从而与相邻水分子之间产生距离变化,这种变化会导致分子之间氢键的调整,从而快速结晶。

一瓶过冷水受到振动而快速结晶

当条件满足时,水结冰就很快

高空中的温度经常低于-10°C,但在这里的云层中依然存在大量液态的小水滴和水蒸气,因为缺乏固体的灰尘和杂质,它们不会结冰。当飞机穿过这些云层,过冷的小水滴会在机身和机翼上迅速成核结冰,这严重影响到航空安全,因此飞行员会根据机载雷达或按照地面指示避开这些云层。

高空云层中的过冷水在机翼上结冰会影响飞行安全

当我们从冰箱中取出冷冻的食品时会感觉它粘手,这是由于过低的温度迅速使我们手指上的汗水结冰,从而将手指与食物冻在了一起。这不需要担心,因为你手指的温度可以在几秒之内融化这薄薄的冰层。

相比之下你更需要留意这样一个忠告:在北方的寒冬里,千万不要尝试舔户外的铁柱子,冰会迅速粘住你的舌头,给你带来摆脱不掉的麻烦。

切记:柱子不是用来舔的

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