物流百科 > 今日头条 > 最小的一滴水有多少个水分子>发布时间:2021-02-25 13:40

  最小的一滴水有多少个水分子

  ◎李存璞

  一滴水大约为0.05毫升,约10万亿亿个水分子。半滴水0.025毫升,5万亿亿个水分子。那么,半滴水还算一个水滴么?如果半滴水算,那半滴水的半滴呢?如此细分下去,终点将是一个水分子。那么,一个水分子能算是一滴水么?如果不算,那最少要多少个水分子才可称为一滴水?

  2020年年底,发表在英国皇家化学会旗舰期刊《化学科学》上的一项研究,报告了答案:米兰理工大学的科学家发现,21个水分子组成的分子团,与宏观的一滴水的光谱基本吻合。也就是说,最少需要21个水分子才可以组成一滴水。

  光谱让水分子说话

  我们不妨从一个水分子的视角,来思考这个问题:假设在一滴水中随机挑选一个水分子,我们叫它W。尽管0.05毫升的一滴水中大约有1021个水分子,但真正围绕在W周围的水分子并不多。

  我们把W转移出来,在其周围不断增加水分子,直到W觉得,周围的水分子似乎跟之前一样多了。此时W相信,自己处在一滴水中。于是W和增加的水分子这个整体,就可以被定义为最小的一滴水。这一过程被称为W的溶剂化。

  但W究竟是怎么想的,我们并不知道。得想个办法让W告诉我们,它是不是在一滴水中。

  幸运的是,水分子每时每刻都处于不断的运动当中,这被称为分子振动。每一种分子振动的能量不同。我们可以用光谱学方法,来侦测各类振动的频率,就如同耳朵听不同频率的声音一样。

  水分子的振动光谱与其周围的其他水分子密切相关。我们可以利用光谱学这一工具来观察,随着周围水分子个数增加,W的分子振动如何变化。当W的分子光谱与宏观上水滴的光谱一致时,我们也就找到了最小的这滴水。

  不过,科学家迄今还没有掌握在一个水分子周围精确增加水分子的技术,而且一个水分子的分子光谱信号太弱,根本没有办法侦测到。科学家发现,通过计算机建立模型,就可以模拟得到在W周围添加水分子时,它的光谱如何变化。

  化学中对分子的模拟主要有两个方向。一个方向是利用量子力学方法模拟系统中每一个分子,包括分子中每一个原子、电子的量子相互作用,计算量巨大,这种方法主要用于研究分子的静态特性。另一个方向是利用分子动力学方法,将分子想象成是刚性原子用弹簧连接而成,分子之间的作用主要考虑静电相互作用,计算量小,可以方便模拟分子振动这样的动态过程。

  W的分子振动自然是动态过程,需要使用分子动力学方法来实现。另一方面,因为水分子之间是氢键相互作用,又不得不同时考虑量子力学效应。因此,化学家将两种方法结合,来计算W的光谱信息。

  寻找最小的水滴

  米兰理工大学的化学家在对比光谱学计算与实验测得的光谱后发现,当W周围有4个水分子(即5个分子组成的团)时,它的外围已经包裹了一层完整的水分子层,分子光谱也与一滴水的光谱比较接近,但还有一些偏差。

  他们进一步增加W外围水分子的个数,发现当有20个水分子,即形成21个水分子的分子团时,计算得到的W分子光谱与实验值吻合得很好。这说明W此时已经认为自己真的在一滴水中了。于是,研究人员得出结论:最小的这滴水由21个水分子组成。

  从极小到极大,现代科学关注自然各个尺度的现象。一方面,科学家不断将研究目标缩小,小到原子核内部的质子、夸克;另一方面,也不断将研究目标放大,大到整个星系、宇宙。而在这小和大的中间,存在许多跨尺度的有趣现象。

  比如,21个水分子组成的纳米尺度下的一滴水,在一定程度上具备宏观上一杯水的特征。又比如,厚度仅为一层碳原子、径度却可延展到几米的石墨烯,具有优异的电学、力学性能。另比如,电子转移仅需10-12秒,但电池充电却需要数小时。这些跨越时空尺度的问题,沟通了物质的微观组成与宏观性质。

  而微观和宏观的界限在哪里,常常不是那么分明。比如在一块晶体中,晶胞可以被认为拥有晶体很多宏观性质,但多少个-CH2-重复出现才能算一个聚乙烯分子,似乎就很难严格定义了。因为水是生命体系最重要的溶剂,也是很多化学和物理变化的介质,我们找到水分子到宏观水滴的这个界限,或许可以帮助更好地认知和模拟生命体,理解更多的化学物理过程。

  (来源:科普中国中央厨房)

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