「第四種水」在深海中被發現:原來水并非只有固態、液態和氣態

天空之城 2022/06/30 檢舉 我要評論

在自然界中,我們可以看到,水的形式可以有三種,固態的冰、 液態的水、氣態的氣體。

水的組成元素是 氫和氧,在不同的溫度條件中,這三種狀態可以 相互轉化

比如當溫度達到0℃時,液態水就會逐漸變成固態冰,當溫度不斷增加時,水就會逐漸變成 氣態水蒸氣,當水蒸氣升入空中后, 受到低溫影響,或者體積被壓縮,就會逐漸液化成雨滴降落。

而實際上,科學家發現,任何一種物質都應該存在一個 臨界點,當它處于這個臨界區域時,就會變成 超臨界流體狀態,水也是如此。

接下來,我們就來了解一下,深海中被發現的「第四種水」是什麼?原來水并非只有固態、液態和氣態。

超臨界流體

要了解 「第四種水」,我們就得先搞清楚,超臨界流體是什麼?

液體、固體和氣體是 物質的基本相,就如前面所說,它們之間存在一個臨界點。

當物質的溫度和壓力都高于臨界點時,此時氣體和液體的性質會十分相似,隨后便會達到一個 均勻的流體現象

超臨界流體的特點

我們可以想象它們是緩慢運動的氣體,可以從一個多孔的固體中流出,看上去既可以像液體一樣流動,又可以 如氣體般發生瀉流

這就是超臨界流體具備的特點,具有 可壓縮性密度一般介于0.1-1.0g/ml,此時的密度會隨著壓力或溫度的較小變化,而發生更大的變化。

所以處于這一狀態的物體,有著 極強的可塑性

正是由于超臨界流體還沒有表面張力,所以我們只需要 稍微調整一下它的壓力和密度,就可以使其性質和狀態更偏向液體或氣體了。

在自然界,我們已經發現了很多具有超臨界流體的物質。

自然環境下的超臨界流體

比如我們熟知的 瀝青,從外表上看,它屬于固體,但是1927年, 澳大利亞科學家帕內爾進行滴落實驗時,就讓學生了解到它具有一定的流動性。

所以它既不是固體也不是液體,而屬于 非完全晶體,只不過它的滴落速度尤其緩慢,人們經常將其看作固體也不是沒有道理。

嚴格來說,超臨界流體應該是較穩定地處于 單相相區

它雖然不屬于其他三種相中的任何一個,但是又在三相種接近某一項,因此我們可以將其成為 「第四相」

超臨界水的發現

而處于深海中的超臨界水,就是 水在臨界點區域呈現的狀態

2008年,德國科學家正在對大西洋中部山脊的 熱液噴口進行考察。

我們知道, 水的臨界溫度為374.15℃,臨界壓力為22.05MPa。

而這里的水溫已經達到 464℃,是地球上水溫最高的地方。

其明顯高于臨界溫度,此時不管該地的壓力有多大, 氣體都不可能液化

所以參與考察的 安德里亞認為,這是深海中的第四種水,是我們在自然狀態下,第一次觀測到的超臨界水。

此前基于對超臨界流體研究時,科學家就 曾在實驗室獲得過超臨界水

所以很早之前,人們就已經了解到超臨界水的特性,并試圖加以利用。

超臨界水的特點

我們知道,位于水分子之間的 氫鍵,決定了大部分水的性質。

一般來說,如果溫度升高,就會 快速降低氫鍵的數量,由此破壞水在室溫下存在的氧四方有序結構。

但當它屬于超臨界水的時候,氫鍵就出現了特殊的性質, 不管溫度再高,它都不會消失

科學家對此進行研究,它們發現在臨界溫度時, 飽和水蒸氣的氫鍵增加值,和處于液態水的氫鍵減少值相等,此時液態水中的氫鍵占總量的17%左右。

隨后,科學家又發現了超臨界水的其他特點。

第一,比如大家知道 「水火不相容」這句俗語吧,但如果是在超臨界水中,這一點就不成立了,因為 它可以讓很多物質在其中燃燒,產生火焰,甚至還可以將很多物質溶解。

第二,超臨界水具有 很強的反應活性,以及 強大的氧化能力,甚至比高錳酸鉀還要強。

一般只需要將需要處理的物質放入超臨界水中,然后向其中加入 氧和過氧化氫,隨后這些物質很快就會被氧化和水解。

第三,超臨界水具有 強腐蝕性,它幾乎可以將所有金屬都腐蝕,包括黃金,其腐蝕強度, 比王水還要厲害

第四,超臨界水還具有 極強的催化能力,所以物質在其中的化學反應會變得極快,幾乎是在其他狀態下的100倍。

超臨界水的作用

于是根據超臨界水的特點,我們完全可以將其充分利用起來。

目前,我們對超臨界水,可以應用于制作 反應容器、預熱器、冷卻裝置等等。

超臨界水在化學反應中,既可以作為反應介質,又可以直接參與反應。

通過改變溫度和壓力,可以使得超臨界水操控反應環境, 協調反應速率、化學平衡等,所以它可以作為一種良好的溶劑來使用。

根據前面提到的超強反應活性,我們可以將其應用于化學反應中, 使得物質能夠反應得更徹底

科學家經過實驗證明,超臨界水可以在不添加催化劑的條件下,進行酸堿自催化反應,也就是說可以直接充當酸堿催化反應的介質。

因為當接近臨界點時,水中的 離子積已經比常態水增加了差不多3個數量級。

于是我們完全可以將超臨界水用于 水解反應、脫水反應和水合反應。

如果未來這一技術得到使用,可以有效減少化學反應中產生的雜質,因為在超臨界水狀態下, 無機物質幾乎不能溶解,而有機物質卻幾乎被完全溶解。

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