太空科學課（十二）

2022年3月23日下午，天宮課堂再次開課。這一次的太空授課時值北京冬奧會閉幕不久，航天員們也緊跟時事，給我們帶來了冰雪主題的科學實驗。

第一個實驗就是微重力環境下的太空“冰雪”實驗。王亞平在太空中“點水成冰”，把一個水球瞬間變成了一個“冰球”！這么有趣的魔法，是怎么實現的呢？

這個實驗是天宮課堂開展以來第一個和化學有關的實驗（注意：這個實驗的過程中并沒有新物質的生成，所以它本質上仍是物理變化而非化學變化，不過這個實驗涉及的物質、科學概念和原理都在化學課中更為常見，所以說和化學的關系更強）。想要施展這個魔法，我們需要準備一些過飽和的乙酸鈉溶液。等等！乙酸鈉是什么？什么是過飽和？別急，太空熊貓君一點一點為你解釋。

乙酸鈉是一種有機物，它本身是一種無色透明的晶體。別看它的名字讓人感覺陌生，其實獲取它很容易。王亞平就給我們介紹了一種很簡便的方法：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，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，而白醋本質上就是一種乙酸的溶液。我們蒸饅頭或者蒸包子的時候經常會用到的小蘇打，可以讓饅頭和包子的面皮變得更加松軟。小蘇打的化學名稱叫碳酸氫鈉，是一種無機化合物，當它遇到酸性物質的時候，就會迅速分解，產生二氧化碳氣體。我們在做饅頭的時候用到它，就是希望通過它分解出來的二氧化碳在饅頭內部產生很多“小空洞”，這樣饅頭就非常松軟啦。當我們將白醋和小蘇打放在一起的時候，一個很簡單的化學反應就產生了。碳酸氫鈉遇到了乙酸就會發生反應，釋放大量二氧化碳，剩下的物質就是乙酸鈉（注意：此時的溶液實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，你就會得到一份完美的乙酸鈉溶液。

知識鏈接

分子由原子組成，是化學反應中的最小粒子。離子是帶電的原子或者原子團，根據原子或原子團失去或得到一個或幾個電子而分為正離子（陽離子）和負離子（陰離子）。

我們再來看過飽和。你肯定知道像食鹽、白糖這些物質放入水中后會溶化消失，這種現象我們稱為溶解。溶解是指兩種以上的物質混合在一起逐漸變得均勻的過程。在溶解的過程中，質量比較大的物質被稱為溶劑，上述例子中的水就是溶劑，而質量比較小的物質被稱為溶質，例子中的食鹽、白糖就屬于溶質。溶質可以是固體、液體或者氣體，而溶劑也可以是液體、氣體，甚至是固體。科學家們還發現，在一定的氣壓和溫度下，溶劑溶解溶質的能力是有限的，舉例來說，如果你將大量的食鹽倒入一小杯水中，多余的食鹽就會在底部結晶沉淀。這個時候的鹽水已無法再溶解食鹽了，處于飽和的狀態，這杯鹽水就叫作食鹽的飽和溶液。

那什么是過飽和呢？溶解現象比我們想象的還要復雜許多。在特殊的情況下，溶劑溶解溶質的量會超過飽和這個限度，這就是過飽和現象。不過，過飽和的溶液是不穩定的，如果受到了震動或是我們再為溶液提供一點點溶質物質，溶液里面的溶質就會快速結晶析出。在太空實驗中，王亞平手里拿的就是過飽和的乙酸鈉溶液。看得出來，她操作得很小心，因為一旦發生震動，這一袋過飽和乙酸鈉溶液就會變成飽和乙酸鈉溶液和三水合乙酸鈉結晶的混合溶液。

明白了什么是過飽和乙酸鈉溶液，王亞平做的實驗就不難理解了。她小心地從水袋里擠出一個乙酸鈉溶液球，這個小球看起來和水球一樣，無色透明，在空間站中自由飄蕩。“冰雪”實驗的玄機就在王亞平隨后拿出的小棍子上，這個小棍子上沾有一些乙酸鈉的晶體粉末，一旦接觸到過飽和乙酸鈉溶液，溶液中的乙酸鈉就會快速結晶，直到整個溶液球都變成了乙酸鈉的水合晶體，看起來就像一顆冰球啦！

其實，過飽和乙酸鈉溶液的結晶實驗，我們在地面上也是可以完成的，不過特別要注意合理配置溶質和溶劑的比例。值得一提的是，絕大多數的溶解過程都是一個吸熱的過程；反之，當晶體從溶液中析出的時候，就會釋放出熱量。所以當王亞平觸摸乙酸鈉晶體球的時候，會明顯感受到它是溫熱的。這個原理在我們的生活中也有應用。你有沒有見過一種叫作“發熱袋”的產品？透明橡膠袋里充滿了一種液體，液體中漂浮著一小塊金屬片。如果用手指用力掰動金屬片，袋子里的液體就會開始結晶放熱，給我們帶來熱量。其實，這個袋子里面裝的就是過飽和的乙酸鈉溶液，當我們掰動金屬片的時候，金屬片產生的震動就會使乙酸鈉開始結晶。

發熱袋發熱前

發熱袋發熱后