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交大化學系團隊新發現 將改寫理化課本!

交大化學系團隊新發現 將改寫理化課本!-Bulletin of the Chemical Society of Japan

水為什麼在4度C時密度最大?交大團隊新的研究,解答這這個問題,而且可能改寫理化課本內容!

 

交大應用化學系講座教授濵口宏夫的研究團隊,以低溫下形成的奈米尺寸微冰晶,解釋造成水的最大密度異常現象的原因。研究成果會在在日本化學會Bulletin of the Chemical Society of Japan 六月號刊登。

 

我們從課本中學到,水在4度C時密度最大,更進一步可以用水的密度異常是因為低溫下「氫鍵網狀結構擴張」造成來解釋這一個現象(氫鍵是水分子間微弱的作用力)。

 

然而,冰是立體的網狀結構,因為間隙多,所以冰的密度比水小。團隊在研究中證明奈米冰(Nano-ice)的產生會造成這樣的網狀結構擴張,而生成懸浮在水中的奈米冰抑制原本該增加的液態水密度,導致水在4度C時密度會最大的異常現象。在溫度低於10度C時,奈米冰會生成,所以低於10度C的水,嚴格來說不能夠視作純液體。

 

濵口宏夫教授的研究團隊使用拉曼光譜法測定了-23 ~ 45oC的範圍內140個水的樣品,得到個溫度區間的光譜分析結果。在這個範圍內,有3種形式的水出現,分別是氫鍵結構鬆散的水、氫鍵結構規律排列的水,以及氫鍵高度規律排列而形成「類似冰」型態的水。把「類似冰」型態的水的光譜分析結果和純冰做比對,會發現他們很類似,因此推測「類似冰」型態的水,實際上是奈米尺度的微小冰晶-奈米冰。實驗結果呈現,奈米兵會在冷水和過冷卻水中生成,和另外兩種形式的水共存。

 

另外,研究團隊根據過去的光譜學分析,經過理論模擬計算後,得出3種型態水在不同溫度下所佔的比例,成功計算水的密度和溫度的關係圖,推估最大密度會在4度C左右,符合實驗觀察結果。

 

因此為什麼水在4度C有最大密度?得到了明晰的解答,教科書也可能因此改寫。

交大化學系團隊新發現 將改寫理化課本!-Bulletin of the Chemical Society of Japan

 


文:豌豆米
參考資料:解開水之謎  交大團隊新發現  將改寫理化課本
圖片來源:交大新聞網

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