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    至少有多少水分子可以称之为一滴水?

    发布日期:2021-02-11 20:18 化学论文

    一滴水能叫多少水分子?新的研究表明至少有21个。没有一个,就不能叫水滴。图:来自网络

    如果有一堆沙子,取一粒沙子,剩下的就是一堆沙子;但如果一直带走,最后只剩下一粒沙子的时候,它还是一堆沙子吗?这就是公元前4世纪古希腊哲学家奥布里提出的沙堆悖论。同样的问题也可以用来问水,我们生命的源泉。

    一滴水约0.05 ml,约10万亿水分子。半滴水0.025 ml,5万亿水分子。那么,半滴水还是一滴水吗?如果半滴水算,那半滴水呢?你这样细分下去,终点会是一个水分子。那么,一个水分子能算一滴水吗?如果不是,至少有多少水分子可以称之为一滴水?

    2020年12月,发表在皇家化学学会旗舰期刊《化学科学》上的一项研究报道了答案:米兰理工大学的科学家发现,由21个水分子组成的分子簇与一滴水的宏观光谱基本一致。换句话说,形成一滴水至少需要21个水分子。

    有序排列的碳原子数量逐渐增多,最终成为一个晶莹剔透的DIA。它的超高硬度不是碳原子本身的特性,而是大量碳原子的集体行为。一粒面粉不软不硬,但是很多面粉可以做成煎饼、面包、面条、馒头等。这些食物的特性不是一粒面粉决定的,而是大量面粉的集体行为。每个球员的技术似乎都不错,但整个足球队可能会输掉每一场比赛。输了比赛好像没人该负责,但是11个人整体有易输的特点。

    同样,水具有优异的溶解能力、极高的比热容和合适的粘度,这些都不是单个水分子带来的特性,而是多个水分子形成的“一滴水”的特性。那么,至少需要多少水分子才算一滴水呢?

    我们不妨从一个水分子的角度来思考这个问题:假设从一滴水中随机选取一个水分子,我们称之为w,虽然0.05 ml一滴水中约有1021个水分子,但是w周围的水分子并不多,我们随机选取水分子,主角w .土冲创意

    我们偷偷把W拿走了,就不管了。然后在它的周围加入水分子,直到W觉得它周围的水分子好像和以前一样多。这时,W相信自己是在一滴水中。w和加入的水分子作为一个整体可以定义为最小的一滴水。这个过程叫做w的溶剂化。

    但是W到底是怎么想的,我们不知道。我们得想办法让W告诉我们是不是在一滴水里。

    检测水分子就像认识一个人。一张朋友圈的静态照片很难给我们太多的信息。要实现深刻的理解,必须“观察他说什么,观察他做什么”。

    好在水分子是广场舞的高手:一直在不停的运动,这叫分子振动。每个分子以不同的能量振动。我们可以用光谱学来检测各种振动的频率,就像耳朵听不同频率的声音一样。

    水分子的振动光谱与周围的其他水分子密切相关。这个也很好理解。当一个人在操场上做广播体操时,他的姿势当然不同于周围有其他人的时候。如果边上有秘密崇拜者,动作可能更妖娆。

    所以我们可以用光谱学来观察W的分子振动是如何随着周围水分子数目的增加而变化的。当W的分子光谱与水滴的宏观光谱一致时,我们找到了最小的水滴。水分子会聚集形成水滴。光谱学可以揭示多少水分子可以显示水的宏观性质。|来自论文

    但是我们还没有掌握在水分子周围准确加入水分子的技术,水分子的分子光谱信号太弱,根本无法检测。人类不能,但幸运的是计算机可以。通过建立计算机模型,我们可以模拟w周围加入水分子时光谱是如何变化的。

    化学中分子模拟主要有两个方向。一个方向是用量子力学方法模拟系统中每个分子的量子相互作用,包括分子中的每个原子和电子,计算量巨大,主要用于研究分子的静态特性。另一个方向是用分子动力学方法把分子想象成由弹簧连接的刚性原子。分子间的相互作用主要考虑静电相互作用,计算量小,便于模拟分子振动等动力学过程。

    W的分子振动是一个动态过程,需要通过分子动力学来实现。另一方面,由于水分子之间存在氢键相互作用,必须同时考虑量子力学效应。因此化学家将两种方法结合起来计算w的光谱信息。

    米兰理工大学的化学家发现,当W周围有4个水分子(即由5个分子组成的簇)时,周围已经包裹了一层完整的水分子,分子光谱接近一滴水的光谱,但有一定的偏差。说明只有一层水分子不能让W安心。四个水分子围绕W形成五个水分子的分子簇(右)。它的光谱(绿线)接近一滴水的光谱(深蓝色阴影),但不完全匹配(参考峰位)。|来自论文

    他们进一步增加了W周围的水分子数,发现当有20个水分子时,即形成21个水分子的分子簇时,计算得到的W分子谱与实验值吻合较好。这说明W已经觉得自己真的是一滴水了。我们成功找到了最小的一滴水,它是由21个水分子组成的!由19、21和23个水分子组成的分子簇的光谱。21个水分子的分子簇与一滴水的光谱基本一致(深蓝色阴影)。|来自论文

    有商家声称,由5~8个水分子组成的微小水簇具有高渗透性、高扩散性、高溶解性、高氧含量、弱碱性等特点,是一种质量较好的水。这当然是伪科学,因为在水中,水分子处于不断变化的氢键网络中,不存在孤立稳定的“小分子团”。此外,根据这项新的研究,至少需要21个水分子才能算作一滴水。商家的伪科学知识要重新更新。

    从最小到最大,现代科学关注各种尺度的自然现象。一方面,科学家不断将研究目标缩小到原子核内部的质子和夸克;另一方面,研究目标不断扩大到整个星系和宇宙。在小与大之间,有许多跨越尺度的有趣现象。

    比如由21个水分子组成的纳米尺度的一滴水,在一定程度上具有宏观层面的一杯水的特性。例如,厚度只有一层碳原子,直径可以延伸到几米的石墨烯具有优异的电学和机械性能。比如说转移电子只需要10-12秒,但是给电池充电需要几个小时。这些跨越时间和空间尺度的问题传达了物质的微观组成和宏观性质。石墨烯(右)只有一层薄薄的碳原子,表现出与DIA(左)完全不同的性质。许多有趣的跨尺度现象传达了物质的微观组成和宏观性质。卡内基科学/维基百科

    微观和宏观的界限往往不那么清晰。例如,在晶体中,晶胞可以被视为具有晶体的许多宏观性质,但似乎很难严格定义多少-CH2-可以算作聚乙烯分子。因为水是生命系统最重要的溶剂,也是许多化学和物理变化的介质,所以我们可以找到从水分子到宏观水滴的这个边界,这可能有助于我们更好地理解和模拟生命

    从现在开始,无论你是喝了一滴酒,还是流了一滴泪,我们除了沉浸在悲伤和幸福的时刻之外,可能还要重新计算它们含有多少水滴。


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