太空科學(xué)課（十二））
——“點(diǎn)水成冰”的魔法法

文/太空熊貓君

2022 年3 月23 日下午，天宮課堂再次開(kāi)課。這一次的太空授課時(shí)值北京冬奧會(huì)閉幕不久，航天員們也緊跟時(shí)事，給我們帶來(lái)了冰雪主題的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是微重力環(huán)境下的太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)。王亞平在太空中“點(diǎn)水成冰”，把一個(gè)水球瞬間變成了一個(gè)“冰球”！這么有趣的魔法，是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是天宮課堂開(kāi)展以來(lái)第一個(gè)和化學(xué)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)（注意：這個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中并沒(méi)有新物質(zhì)的生成，所以它本質(zhì)上仍是物理變化而非化學(xué)變化，不過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及的物質(zhì)、科學(xué)概念和原理都在化學(xué)課中更為常見(jiàn)，所以說(shuō)和化學(xué)的關(guān)系更強(qiáng)）。想要施展這個(gè)魔法，我們需要準(zhǔn)備一些過(guò)飽和的乙酸鈉溶液。等等！乙酸鈉是什么？什么是過(guò)飽和？別急，太空熊貓君一點(diǎn)一點(diǎn)為你解釋。

乙酸鈉是一種有機(jī)物，它本身是一種無(wú)色透明的晶體。別看它的名字讓人感覺(jué)陌生，其實(shí)獲取它很容易。王亞平就給我們介紹了一種很簡(jiǎn)便的方法：把白醋和小蘇打加入水中，就可以制備乙酸鈉溶液。這是怎么一回事呢？

其實(shí)，乙酸也叫醋酸，我們常用的各種醋，其中的主要成分就是醋酸，而白醋本質(zhì)上就是一種乙酸的溶液。我們蒸饅頭或者蒸包子的時(shí)候經(jīng)常會(huì)用到的小蘇打，可以讓饅頭和包子的面皮變得更加松軟。小蘇打的化學(xué)名稱(chēng)叫碳酸氫鈉，是一種無(wú)機(jī)化合物，當(dāng)它遇到酸性物質(zhì)的時(shí)候，就會(huì)迅速分解，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。我們?cè)谧鲳z頭的時(shí)候用到它，就是希望通過(guò)它分解出來(lái)的二氧化碳在饅頭內(nèi)部產(chǎn)生很多“小空洞”，這樣饅頭就非常松軟啦。當(dāng)我們將白醋和小蘇打放在一起的時(shí)候，一個(gè)很簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了。碳酸氫鈉遇到了乙酸就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，釋放大量二氧化碳，剩下的物質(zhì)就是乙酸鈉（注意：此時(shí)的溶液實(shí)為醋酸根離子和鈉離子的混合溶液，不要直接理解為乙酸鈉分子的溶液）。如果加入白醋和小蘇打的比例合理，你就會(huì)得到一份完美的乙酸鈉溶液。

知識(shí)鏈接

分子由原子組成，是化學(xué)反應(yīng)中的最小粒子。離子是帶電的原子或者原子團(tuán)，根據(jù)原子或原子團(tuán)失去或得到一個(gè)或幾個(gè)電子而分為正離子（陽(yáng)離子）和負(fù)離子（陰離子）。

我們?cè)賮?lái)看過(guò)飽和。你肯定知道像食鹽、白糖這些物質(zhì)放入水中后會(huì)溶化消失，這種現(xiàn)象我們稱(chēng)為溶解。溶解是指兩種以上的物質(zhì)混合在一起逐漸變得均勻的過(guò)程。在溶解的過(guò)程中，質(zhì)量比較大的物質(zhì)被稱(chēng)為溶劑，上述例子中的水就是溶劑，而質(zhì)量比較小的物質(zhì)被稱(chēng)為溶質(zhì)，例子中的食鹽、白糖就屬于溶質(zhì)。溶質(zhì)可以是固體、液體或者氣體，而溶劑也可以是液體、氣體，甚至是固體。科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，在一定的氣壓和溫度下，溶劑溶解溶質(zhì)的能力是有限的，舉例來(lái)說(shuō)，如果你將大量的食鹽倒入一小杯水中，多余的食鹽就會(huì)在底部結(jié)晶沉淀。這個(gè)時(shí)候的鹽水已無(wú)法再溶解食鹽了，處于飽和的狀態(tài)，這杯鹽水就叫作食鹽的飽和溶液。

那什么是過(guò)飽和呢？溶解現(xiàn)象比我們想象的還要復(fù)雜許多。在特殊的情況下，溶劑溶解溶質(zhì)的量會(huì)超過(guò)飽和這個(gè)限度，這就是過(guò)飽和現(xiàn)象。不過(guò)，過(guò)飽和的溶液是不穩(wěn)定的，如果受到了震動(dòng)或是我們?cè)贋槿芤禾峁┮稽c(diǎn)點(diǎn)溶質(zhì)物質(zhì)，溶液里面的溶質(zhì)就會(huì)快速結(jié)晶析出。在太空實(shí)驗(yàn)中，王亞平手里拿的就是過(guò)飽和的乙酸鈉溶液。看得出來(lái)，她操作得很小心，因?yàn)橐坏┌l(fā)生震動(dòng)，這一袋過(guò)飽和乙酸鈉溶液就會(huì)變成飽和乙酸鈉溶液和三水合乙酸鈉結(jié)晶的混合溶液。

明白了什么是過(guò)飽和乙酸鈉溶液，王亞平做的實(shí)驗(yàn)就不難理解了。她小心地從水袋里擠出一個(gè)乙酸鈉溶液球，這個(gè)小球看起來(lái)和水球一樣，無(wú)色透明，在空間站中自由飄蕩。“冰雪”實(shí)驗(yàn)的玄機(jī)就在王亞平隨后拿出的小棍子上，這個(gè)小棍子上沾有一些乙酸鈉的晶體粉末，一旦接觸到過(guò)飽和乙酸鈉溶液，溶液中的乙酸鈉就會(huì)快速結(jié)晶，直到整個(gè)溶液球都變成了乙酸鈉的水合晶體，看起來(lái)就像一顆冰球啦！

其實(shí)，過(guò)飽和乙酸鈉溶液的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，我們?cè)诘孛嫔媳壤Ｖ档靡惶岬氖牵^大多數(shù)的溶解過(guò)程都是一個(gè)吸熱也是可以完成的，不過(guò)特別要注意合理配置溶質(zhì)和溶劑的的過(guò)程；反之，當(dāng)晶體從溶液中析出的時(shí)候，就會(huì)釋放出熱量。所以當(dāng)王亞平觸摸乙酸鈉晶體球的時(shí)候，會(huì)明顯感受到它是溫?zé)岬摹＿@個(gè)原理在我們的生活中也有應(yīng)用。你有沒(méi)有見(jiàn)過(guò)一種叫作“發(fā)熱袋”的產(chǎn)品？透明橡膠袋里充滿(mǎn)了一種液體，液體中漂浮著一小塊金屬片。如果用手指用力掰動(dòng)金屬片，袋子里的液體就會(huì)開(kāi)始結(jié)晶放熱，給我們帶來(lái)熱量。其實(shí)，這個(gè)袋子里面裝的就是過(guò)飽和的乙酸鈉溶液，當(dāng)我們掰動(dòng)金屬片的時(shí)候，金屬片產(chǎn)生的震動(dòng)就會(huì)使乙酸鈉開(kāi)始結(jié)晶。

◎發(fā)熱袋發(fā)熱前

◎發(fā)熱袋發(fā)熱后