如何获得105度的清纯蒸馏水？

热爱105度的你，滴滴清纯的蒸馏水！

本文含有危险操作，请勿在家中模仿

省流版：根据高中物理学到的克劳修斯-克拉伯龙方程，可以求得当水的沸点超过105摄氏度时，环境压强需要达到121千帕（约等于1.2个标准大气压）。因此只需要一个普通高压锅（内部气压可以达到2个标准大气压）烧开水就可以轻松达成“105度的蒸馏水”成就！还有更简单（但比较危险）的方法，参见正文——

什么是蒸馏水？

蒸馏水通常情况下指代的是不含任何杂质（矿物质、其他液体、空气泡）、完全由水分子组成的纯净水。我们都知道水的沸点是100摄氏度，冰点是0摄氏度。但实际上，对于一滴清纯的蒸馏水，0度和100度并非绝对的界限：零下的“过冷水”在自然界广泛存在，100度以上的“过热水”也很不难获取！

方法一：改变气压

地球有大气层，我们都生活在大气层的底部。大气层自然也是受到地球重力约束的——实际上，地球上的每个人头顶都顶着一千多公里高的大气柱子！这个大气柱子在头顶产生的压力除以面积，就是“大气压”。

证明大气压强存在的著名实验——马德堡半球实验

在标准大气压下，水才有0摄氏度的冰点和100摄氏度的沸点。当环境压强发生变化，两种变化发生的温度也会随之调整。按照高中物理知识，水的沸点温度与大气压强的关系可以用克劳修斯-克拉伯龙方程来描述：

对于温度T1=105摄氏度，可以算出需要的压强P1=120517帕斯卡，即120.517千帕，约等于1.2个标准大气压。所以在1.2个标准大气压下，水的沸点就会来到105摄氏度！

水在固-液-气之间转化的过程也叫“相变”，由环境压强和温度决定，我们可以通过“三相图”来查找特定气压和温度下水的状态。当温度超过374摄氏度并且气压超过22064千帕（约218个大气压）时，也就是临界点，水会变成“超临界流体”，难以区分气态或者液态。而在温度为0.01摄氏度并且气压只有611帕斯卡（千分之六个大气压）时，水可以在固、液、气三种状态之间自由转化，这个点也被称为三相点。克劳修斯-克拉伯龙方程描述的就是从三相点到临界点中间的这一段边界线（下图蓝线）。

方法二：没有那么复杂！

直接静置加热到100度以上！

（危险操作，请勿随意模仿）

当温度突破100摄氏度，纯净水如果本身不含任何气泡，那么它不会立即沸腾，比如在微波炉中长时间加热一杯静置的纯净水。这种“过热水”状态可以持续到将近120摄氏度。此时取出这杯水，只要有任何干扰破坏了水滴的表面，引入水泡，液态水内部分子之间的氢键就容易快速断裂，我们就会看到一整杯水在短时间内迅速沸腾，短时间会产生大量超过100摄氏度的高温水汽，极其容易烫伤，没有安全措施的小伙伴请勿尝试！

为什么？首先，微波炉热水时水的整体受热较为均匀，难以出现内部的对流，因此在加热过程中很难出现气泡。而水的沸腾必须要有气泡作为“核”。水从液态变为气态或者液态变为固态的相变过程中，能量方面其实与各类化学反应一样，需要跨越一个“门槛”，称为“激发能”。如果没有外力干扰破坏这个“门槛”，水就会一直保持液态。

汽水的气泡也是如此产生的。汽水里的气泡本质上是溶解在水中的二氧化碳气体。由于二氧化碳的沸点非常低（-78摄氏度），室温经过高压静置后基本没有气泡的汽水，只要稍有晃动就会迅速产生大量气泡。如果加入“曼妥思”糖，糖果表面自带的大量孔隙是极其良好的核化初始点位，会迅速产生巨量气泡。

插入水杯的手指提供了大量可以产生“核”的位点，促使大量气泡产生并附着在手指表面。（不要插入热水哦！）

成核过程（nucleation）与过冷水

类似地，当温度下降到0摄氏度以下时，通常情况下我们会看到水开始结冰的现象。但也有例外：大气层中的云能保持到零下40度都不结冰！

一个简单的过冷水实验：将一瓶未开封的纯净水放进冰箱冷冻室（或者寒冬夜晚的车里）充分冷冻一段时间，然后不管是打开瓶盖，还是用物体敲击瓶身，都可以发现一整瓶水快速冻结为冰的神奇现象。

为什么呢？这是因为水结冰需要有“核”作为起始点，这种“核”可以是微小的难溶固体颗粒，比如沙子、花粉、细菌，也可以是粗糙的固体表面，比如铁栏杆、有污渍的玻璃等。在这样的界面上，液态水中没有规则的水分子更容易排布出冰的晶体结构，可以迅速“成核”冻结，即使这个物体本身温度并不在零下。冬季户外一些物体表面容易结冰、结霜，还有美丽的雾凇现象，往往是悬浮在空气中的水在某个界面上冻结而成。

雪和冰雹的形成，也是由于空气中存在的气溶胶颗粒为过冷水提供了“凝结核”。这样的凝结/冻结过程称为“异质成核”过程，因为水滴的凝固有其他物质参与。如果要让水滴仅依靠自身冻结（均质成核），需要温度降低至-38摄氏度以下！

不正确的方法：破坏蒸馏水的“清纯”

值得一提的是，水中如果存在可溶性物质如食盐、糖等，水的凝固点就会下降，而沸点上升。

水凝固成冰时，散乱的水分子需要依靠稳定的氢键变成更为规则的晶体结构，而外来的离子和分子很容易破坏这些氢键，导致水分子很难凑出规则的冰晶结构，因此凝固点降低。

氢键很容易被外来的“杂质”破坏

水沸腾时，需要使得水的饱和蒸气压超过大气压，而盐离子或者糖分子这些“杂质”则会降低水的饱和蒸气压——简单来说，因为在水面上，“杂质”会取代一部分水分子，从而抑制水的沸腾。这个现象被法国科学家拉乌尔总结为拉乌尔定律：在一种溶液中分子数量占比百分之x的液体成分，蒸气压是其纯液体的百分之x，如下图所示。

盐水、糖水在100摄氏度也不会沸腾，需要提高温度或者降低外界气压。当然，这样一来水也不“清纯”了！

当下一次听到“super idol的笑容”响起，希望你还能记得，105度的蒸馏水并非无稽之谈~

参考资料

1. Salzman, William R. Clapeyron and Clausius–Clapeyron Equations. Chemical Thermodynamics. University of Arizona.

2. H. R. Pruppacher and J. D. Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation, Kluwer (1997).

3. https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleation

4. Meranda, D., & Furter, W. F. (1977). Elevation of the boiling point of water by salts at saturation: data and correlation. Journal of Chemical and Engineering Data, 22(3), 315-317.

来源：石头科普工作室

编辑：夜凌Ryelin

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号