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从用水融化冻鱼，鱼表面出冰说起: 热度 3 fdc1947 2020-2-27 08:32; 从用水融化冻鱼，鱼表面出冰说起我们很多人吃鱼喜欢吃鲜鱼，认为鲜鱼味道鲜美。鲜鱼味道鲜美，这是事实。我们吃到的鲜鱼，往往多为淡水鱼。青草鲢鳙，四大淡水鱼，占了我们食用鱼类的很大一个数量。从传统上说，我们吃淡水鱼多，吃海鱼少，是与过去我们的海洋捕捞业比较落后有关的。改革开放以来，我国的海洋捕捞业飞速发展，海洋捕捞业的产值占到了渔业总产值的近20%。海洋捕捞所得鱼类，品质一般都较好，深得人们的欢迎。由于是海洋捕捞而得，鱼品往往经过了初加工，去除了不可食用的部分并且冷冻起来。我们在各个超市购得的这些鱼类都是放在冷柜里销售。我们把这些鱼购买回家后，总是要化冻后才能够烹调。把冷冻的鱼放入干净的水里浸泡，一段时间以后，鱼体就化冻了。但是，人们会发现，在鱼体表面一般都会带连着一些冰，有时候冰还是很厚的。这些冰是从哪里来的？这些冰主要是由浸泡鱼的水凝结而成的。冷冻的鱼，温度很低。放在水里，致使鱼体周围的水温度下降，结冰，这是很明显的道理。有人会说，既然鱼之所以化冻，是因为周围的水把热量传给了鱼体，为什么鱼都化冻了，水却仍然是冰。难道热量还能够从温度低的物体传向温度高的物体？热量当然是从温度较高的物体传递给温度较低的物体的，而不会无缘无故地反过开，这是毫无疑问的。问题是，这里我们往往存在一个错觉，即冰总是比化开的物体温度低。实际上，鱼体虽然已经柔软，已经化开了，但是它的温度仍然可以低于零度，即低于水的冰点。人们都知道，正常情况下，水在摄氏零度时，可能结成冰。但是，鱼在摄氏零度时，却不能被冰冻，即不会变硬。我们都知道，鱼肉是由细胞组成的，细胞内的主要成分还是水，许许多多大大小小的分子、离子溶解在水里，形成了很复杂的溶液，还有许多微粒悬浮在这种复杂的溶液中。溶液的凝固点，要比水低得多。因此，冻硬了的鱼体，其温度也一定比摄氏零度低得多。即使融化开了，鱼体变软了，其温度可能还在摄氏零度以下呢。所以，我们看到和摸到的鱼体已经化开了，已经变软了，但是它的温度会比冰的温度还要低。并不是热量从低温物体传向高温物体了。有人又要问，为什么水溶液的凝固点要比水的冰点低呢？我们知道，容易变成液体的物质，一般都由分子组成。分子间的作用力越大，分子就不容易随便运动。如果某物体中的分子要流动，这些分子必须要有较大的动能，也就是说，物体需要有较高的温度（温度是分子平均动能大小的量度）。组成物质的分子间的平均作用力越大，分子在其他分子之间流动所需要的动能就越大，这种物质的熔点就越高（熔点就是凝固点，这不过是一件事情的两种说法）。水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成一个V字形分子。由于氧原子吸引电子的能力比氢原子大得多，水分子的极性很大。带有负电的氧原子，能够与另一个水分子中的氢原子，形成氢键。氢键比一般的分子间作用力要大得多，因此水分子之间的平均作用力，比一般的小分子大得多。这造成了水的熔点（即冰点）比一般的小分子高得多。我们可以比较一下几个小分子的熔点（单位都是摄氏度）：氨CH3 -77.7，甲烷CH4 -182.5，硫化氢H2S -85.5，甲醇 CH3OH -97，乙醇C2H5OH -114。当水中溶入了许多其他分子之后，水分子之间形成氢键的可能性就降低了。分子间的平均作用力也就减小了。分子不需要那么高的平均动能就能够在别的分子之间移动，因此，其熔点也就降低了。所以，水溶液的凝固点总是低于水的冰点。正如大家所知道的，食盐水的凝固点就比纯净的水低得多，利用这个道理，我们可以在因下雪而冰冻的道路上，撒盐而使冰雪融化，从而使车辆运行畅通。当然，由于普通的食盐对道路的腐蚀作用较大，并会使周围的土壤盐化，现在有比食盐效果更好而副作用较小的融雪剂。我们回过来继续说鱼的解冻。如果我们把冻鱼放在食盐水中解冻，同样也由于食盐水的温度比冻鱼高，热量会从食盐水传到冻鱼，从而使鱼体解冻。只要食盐水足够浓，它就不会像纯水那样在鱼体周围冻成冰。需要指出的是，由于冻鱼在水中化冻时在鱼体周围结成了冰，阻止了水的流动，从而使得热量的传递减慢，所以，在水中融化冻鱼是较为缓慢的。而用盐水浸泡冻鱼，不会在鱼体周围结冰，食盐水始终保持液态，由于温度的差别致使的水的流动一直在进行中，这种流动使得热量的传递较为顺畅，所以，用食盐水化冻鱼体比用普通水较为快速。水溶液的凝固点比水低的原理，当然不只用在道路的融雪上。汽车、拖拉机等机器的水冷凝器在冬天可能会冰冻，在冷凝水中放入以醇类为主的抗冷冻剂，就可以使冷凝器避免冰冻。在低温保存和运输鱼类等水生物过程中，抗冷冻剂能够使得水生物的品质保存的更好。溶液中由于分子（原子、离子）间的作用力减少，引起凝固点下降的原理，实际上可以用来解释很多其他现象。石英砂的化学成分是二氧化硅，这是一种原子晶体。每一个硅原子与四个氧原子键合，形成正四面体结构，硅原子在正四面体的中心，而每一个氧原子又与两个硅原子键合，千千万万个原子以这种方式严格地整齐排列，形成二氧化硅晶体。由于硅氧键非常稳定，结合非常牢固，因此这种晶体非常难以被破坏。二氧化硅的熔点很高，达到1650摄氏度。比较纯净的二氧化硅称为水晶，水晶制品的加工就比较困难。在石英砂中加入纯碱（碳酸钠）石灰石（碳酸钙），混合熔融后就得到了普通的玻璃。玻璃的透明度也很好，但是，其软化和融化的温度却大大降低了。因此这种玻璃变得很容易加工，在不很高的温度下，就可以吹、拉、揉成各种制品。完全等同的金属原子之间形成金属键，排列成严格整齐的晶格，这可以解释金属的许多性质。如果，不同的金属原子混在一起，由于原子大小不同，原子核外电子能级的高低不同，形成金属键的强度会减弱，也就是说，原子之间的作用力会减小，这样，一般金属合金的熔点就会比合金的主体金属的熔点低。例如，金属铜的熔点是1083摄氏度，掺入25%的金属锡，形成青铜，其熔点只有800摄氏度。这样，我们就能够解释为什么在古代铸造的铜器以青铜器为多。又如，由铋50%，铅25%，锡12.5%和镉12.5%四种金属形成的合金即伍德合金。其熔点只有 65.5 摄氏度，可用作某些场合的热熔断器。总而言之，原子或分子之间作用力的问题，是化学学科中的大问题，这里所说的熔点的问题，只是举了随便几个偶然想到的例子。我们生活中的化学知识无处不有。; 个人分类: 科学与生活|7615 次阅读|5 个评论

杂说氦元素（上）从低温说起: 热度 6 fdc1947 2019-7-26 08:16; 杂说氦元素（上）从低温说起天气炎热，大家都希望凉快一点。近水的朋友就会下河、下海或者到泳池里去游泳，正常的情况下，那里会凉快一点。过去没有冰箱的时候，家里会在上午就把一个西瓜，放在井里，到了傍晚，把西瓜拿起来，一家人就可以吃上冰凉可口的西瓜了。我们做化学反应的，有的化学反应需要在零度左右的温度下进行，我们就把发生反应的试管或烧瓶放在冰水里冷却，这就是所谓冰浴。如果在冰水里加盐，那么最低的温度可以接近零下 20度。如果需要周围的温度更低，通常可以用液态氮。氮的沸点是 -196摄氏度，有些需要极低温度的物质就可以保存在液氮中，例如草原上要给牲畜人工授精，优良品种牲畜的精子就保存在液氮里，虽然各牧场交通不便，但由于储存液氮的容器体积不大，很容易拿到各牧场。如果要使周围有最低的温度，那就只能用液态氦了。氦的沸点是 -269摄氏度，离开“绝对零度”只有4度了。氦是世界上最难液化的物质。有的朋友会问，这是为什么？我们不妨从头说起。我们从小就知道，在通常情况下，物质有固态、液态、气态三种状态。在正常的一个大气压下，由固态到液态的转换温度是熔点，由液态到气态的转换温度称沸点。在一定的温度下，一个物质之所以成为固态、液态还是气态，是由它的结构性质造成的。组成一般物质的最基本单位是原子，由原子组成分子或晶体或非晶体。究竟在常温下是什么状态，要看分子的大小和分子之间的作用力的大小。例如，氮气由两个氮原子组成氮分子，分子很小，又是非极性分子，分子之间作用力很小，有点动能就分开了，很难凝聚在一起，所以常温下是气体，而且沸点很低，上面已经说过，要到 -196摄氏度才能够液化，凝聚成液体。二氧化碳分子由两个氧原子和一个碳原子组成，分子很小，也是非极性分子，分子间作用力也小，所以常温下也是气体。但是，氧原子与碳原子之间的化学键毕竟是有极性的（只是因为两个碳原子对称排列而使分子总体上不显极性），分子之间可以有一定的相互作用，所以其沸点比氮气要高一些。在 -78摄氏度时会由晶体直接升华变成气体。人们把固体的二氧化碳称为“干冰”，在舞台上制造“云雾”效果。水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，分子比二氧化碳还小。但是，与二氧化碳不同，氧原子与两个氢原子不在一条直线上，氧原子与氢原子之间化学键的极性又很大，所以整个分子显出很大的极性。两个分子之间不但有一般分子之间的作用力，而且不同分子之间的氧原子和氢原子，还有可能形成氢键。这样的分子就非常容易凝聚在一起，所以，在常温下水就是液体，沸点高达 100摄氏度。汽油是许多种烷烃的混合物，以它们的代表物正庚烷（辛烷值 0）和异辛烷（辛烷值100）为例。它们的分子式分别是C7H16和C8H18，比水分子大得多，但是，由于氢原子在碳原子边上分布得较为均匀，总的极性不大。但是，由于毕竟分子比水分子要大得多。它们的沸点分别为98和99摄氏度，基本上与水分子差不多。牛油和羊油，都是脂肪酸的甘油三酯，由于它们的分子都比较大，比如其中一个主要的脂肪酸硬脂酸就有十八个碳原子的碳链，这样的分子之间总会有许多相互作用，致使由这样的分子组成的物质，在常温下就是固体。又如，铁由一个个铁原子整整齐齐地紧紧的排在一起，有些电子在不同的原子之间流动，形成所谓金属键，使得许许多多的铁原子组成铁的晶体。其他与铁相似的金属也是如此。它们的原子没有形成分子，而是直接组成晶体（如果硬要说分子，那就是一些巨大无比的分子）。大多数金属晶体都有较高的熔点和沸点。又如，像石英这样的物质，虽然在学习化学的时候，经常把它们写出二氧化硅，但是，实际上石英中并没有二氧化硅分子，只是由巨大数量的硅原子和氧原子通过化学键形成了晶体，二氧化硅只是说明了在晶体中硅原子与氧原子的比例是 1：2（也可以认为是巨大无比的分子）。由于硅氧键的强度非常大，所以其熔点就很高。同样的情况还有三氧化二铝以及许多无机的氧化物，他们的熔点往往比金属还高，我们用以熔炼金属的坩埚往往都是这样的氧化物。所以，要想熔点和沸点低，就必须是分子要小，分子之间的作用力也要小。而分子中最小的就是氦，分子间作用力最小的也是氦。大家都知道，氦是第二号元素，原子核中有两个质子（大多数情况下还有两个中子），核外有两个电子。这是一个惰性元素。惰性元素有氦、氖、氩、氪、氙、氡。由于他们的原子结构都处于满壳层状态，一般情况下它们都不与任何物质（包括自身）组成分子，也就是说，其原子就是分子，称单原子分子。正常情况下，呈电中性的单原子分子之间的静电相互作用都很小，所以，这些惰性元素的熔点和沸点都很低，室温下都是气体，称为惰性气体。但是，由于电子总是在不断运动之中，原子越大，核外电子越多，体积越大，越容易发生形变，也就是说，原子的正负电荷的重心常常不在一起。这时候，原子之间的相互作用力（往往称为色散力）就会增大。这样，惰性气体元素的熔点和沸点都随着原子的增大而增高。在常压下，氦、氖、氩、氪、氙和氡的沸点分别是 -269、-246、-186、-152、-108和-65摄氏度。氦的沸点是最低的，在这样的极低温度下，人们发现了物质的一些特殊性质。例如在液态氦的低温环境中，人们发现了超导现象。 1911年，荷兰人昂内斯发现，将汞冷却到 -268.98℃（4.2K）时，汞的电阻突然消失，后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，这就是超导。降温时使某种物质转变为具有超导性质的温度称为该物质的超导临界温度。超导对于人们有极大的意义。一旦人们拥有了广泛实用的超导技术，人类将取得极其重大的技术进步和社会发展。我们从中学就知道了欧姆定律，电流等于电压除以电阻，电阻是取得大电流的最大障碍。如果电流很大，导线的发热将非常厉害。一旦我们可以使得导体中的电阻接近于零，我们就能够获得大电流。这对于电力的输送毫无疑问是一个福音。电流经过线圈能够产生磁场。这样，大电流又是取得大磁场的必要条件。大家都知道磁悬浮列车，在大磁场中，列车能够悬浮在轨道上前进，极大的减少前进中的摩擦阻力。可控核聚变是将来人们最有希望的能源。但是核聚变要在至少数百万度的高温下进行，我们不可能有一个能够容忍这样高温度的 “容器”，所以，可控的核聚变只能用强磁场把反应约束在空中。而产生强磁场的条件是要有强大的电流，而产生大电流的关键是极小的电阻，不然，没有导体能够容忍这样的大电流，所以，超导对于可控核聚变的应用有极其重大的意义。如果人们必须要在液态氦的极低温度即 -269摄氏度的条件下才能够实现超导，这就给超导加上了一个几乎不可能有实际应用的桎梏。所以，人们必须找到在略高一点的温度条件下具有超导性质的物质，也就是说，人们必须找到临界温度较高的物质。从 1911年开始的几十年里，人们在寻找“高温超导”材料方面取得的进展并不大。因为人们想到的导体总是金属，在人们的思想里，金属才是好的导体，而氧化物之类的陶瓷一定是“绝缘体”。事情到了1986年终于发生了大的变化，人们发现钡镧铜氧化物的超导临界温度是 30K（即-243摄氏度）。“钡镧铜氧化物”是“陶瓷”一类的，竟然有超导的性质。这个发现给“高温超导”打开了一扇前所未有的大门。很快，人们又找到了在40K温度下具有超导性质的物质。接着人们又找到了超导的临界温度到达了90K的物质（例如钇－钡－铜－氧系材料）。这又是一个大的突破，因为这样的超导可以在液氮的条件下实现了。众所周知，氦在地球的的含量不多，液态氦所需要的温度也太低。而氮气占了空气中的五分之四，对于人类来说真是取之不尽的。上面所说的临界温度 90K就是-183摄氏度，比液态氮的沸点-196摄氏度高了，也就是说，在液氮中人们就能够实现超导，这就为超导的实际应用开辟了道路。（未完待续）; 个人分类: 科学与生活|12550 次阅读|12 个评论

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