水蒸气的冷凝过程,只有物理变化吗?

水,历来被称为“生命之源”。它虽然有着简单的元素组成(H2O),却在生命演化过程中扮演着不可替代的角色。

水在地球上的储量丰富,覆盖了71%的地球表面。根据体型的大小,在人体中也有55%-78%的成分是水。为了避免脱水所引起的机体功能失常甚至带来潜在的生命危险,人每天都要饮用一定量的淡水。

不仅是饮用,水早已在人类社会中成为了重要的一份子。

水蒸气的冷凝过程,只有物理变化吗?
参考来源: 维基百科; 图源: 阿里云

这么重要和常见的水,想必人们早已对它的性质了如指掌。然而事实却不是如此,水的各种性质及起源问题,相关科学家仍然在持续不断地探索。比如,水在地球上的起源一直备受争议。前段时间,一项新的研究报道显示,地球上的水可能来源于雪线内的星际有机物。这为起源问题提供了新的线索。

一条常识是:水于常温常压下在0摄氏度结冰,在100摄氏度沸腾。然而,在极端条件下,水的性质却出乎人们的预料。不久以前,美国科学家在《科学》期刊撰文,报道了在零下80摄氏度的极低温度下,水仍以液态形式存在,且由两种液体混合而成,增加了人们对水的性质的新的认识。

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图源: Pixabay

科学之美,就在于复杂背后所隐藏的简单,简单背后所表现出的复杂。水分子这种仅由氢、氧两种常见元素组成的简单的无机化合物,却表现出多样的理化性质,所彰显的功能更是在人类社会中举足轻重。科学界对水的研究不断地推陈出新,也让我们对水这种“圣物”的理解不断加深。

水蒸气是水的气态形式,它只是物质状态发生了变化的水,仍然以H2O分子的形式存在。换句话说,水由液态变为气态,这样的一种过程是物理变化,而不是化学变化。水不仅在沸腾之后会变成水蒸气,在沸点以下也会缓慢地蒸发为水蒸气。“游离”的水蒸气遇冷之后会再次凝结成液态水。

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图源: 阿里云

在自然界中,水蒸气的冷凝现象普遍存在。例如,露、雾、云、雨等自然现象,均是由于水蒸气(水汽)遇冷液化而成。这原本都是自然界自发形成的普遍现象,对水这种物质而言,不过是在液-气-固(霜)之间的物态转化,过程仍然属于物理变化,并没有发生改变了H2O分子的化学变化。

真的是这样的吗?

最近的一项研究告诉我们,这种水蒸气凝结成水滴的过程,实际上也伴随着化学变化:一部分H2O分子转变为了H2O2分子,即过氧化氢分子。

水蒸气的冷凝过程,只有物理变化吗?

液态中的水分子通常被认为是稳定的,这指的是它们不容易发生化学变化从而转变成水之外的物质。然而,这个观点已被科学家证明是片面的。当水形成微小的液滴(微米大小)时,水分子变得具有电化学活性,并且能够催化若干种化学反应。这样的微液滴环境为熵垒的降低提供了条件,并使一些在热力学上不利于发生的反应得以在室温中进行。

斯坦福大学的研究团队近日报道了新的研究成果。他们发现,水蒸气在冷的表面凝结微液滴时,能够部分转化成过氧化氢。研究人员分别让水蒸气在硅、玻璃、塑料和金属的表面凝结,然后使用过氧化氢试纸(可用来检测0.5-25 ppm的H2O2)来检测是否有过氧化氢生成。不出所料,试纸变为蓝色,说明的确生成了过氧化氢。值得注意的是,如此形成的过氧化氢虽然量很少,但是仍然能够被定性的检测到。

研究人员进一步发现,冷凝过程中过氧化氢的生成量,与表面的温度和实验环境的湿度有关。而且,随着冷凝过程中微液滴尺寸的增大,所生成的过氧化氢被稀释。这或许能够解释为什么水冷凝会生成过氧化氢这样的现象,直到现在才被科学家发现。

过氧化氢看似只比水分子多了一个氧原子,但从水转变为过氧化氢,却不是一个能够通过简单的化学反应所实现的。那么,水在冷凝的过程中,怎么能够转变为过氧化氢了呢?

研究团队通过实验发现,这可能是由于水和空气的界面处产生的强电场,这个强电场就在微液滴的外围,它似乎激活了水分子,形成了各种所谓的活性氧物种。这些物种是不稳定的分子碎片,能够与其他分子迅速反应从而生成过氧化氢。

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图源: 阿里云

人们曾发现,雨水中也有少量的过氧化氢。这项研究也为雨水中过氧化氢的来源提供了一个新思路,说明这个转变也是自然界中的普遍现象。除此之外,研究人员还提出了一些其他的设想。比如,如此古老而又普遍的化学转化,甚至可能在没有出现光合作用生物之前,为早期生命的出现提供氧的来源。

当前,该研究团队正在研究如何能够利用微液滴生成过氧化氢来进行清洁和消毒,比如能否将这个过程用于清除表面的新冠病毒。相信在不远的未来,这个普遍的现象将能够在诸多领域得到进一步的应用。

参考文献:

  1. Richard N. Zare et al, Condensing water vapor to droplets generates hydrogen peroxide, PNAS, November 23, 2020.
  2. Adam Hadhazy, Stanford scientists find water can transform into hydrogen peroxide when condensing on cold surfaces, Stanford University, November 23, 2020.

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