[新聞] 交大改寫全球理化課本 4℃水最大密度之謎

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1.媒體來源: 科技報橘新聞快訊 2.完整新聞標題: 交大團隊改寫全球理化課本!解答「4℃ 水擁有最大密度」之謎 3.完整新聞內文: https://bit.ly/2KTdwWz 【我們為什麼挑選這篇文章】國中理化課本有機會被改寫。交大團隊解釋了為何水在 4 度 C 的時候,會有最大的密度,原來水的「氫鍵網狀結構擴張」有三個不同階段,其中發現「奈米冰」扮演重要關鍵,到底什麼是奈米冰呢?讓交大團隊解釋給你!(責任編輯:鄧天心) https://bit.ly/2NI7DJs 由國立交通大學應用化學系講座教授濵口宏夫所領軍的研究團隊,近期解開了水的秘密,透過在低溫下形成的奈米尺寸微冰晶,解釋了水的最大密度異常現象造成的原因。 這項研究成果將在日本化學會 Bulletin of the Chemical Society of Japan 六月號出版,並且預計將會改寫國中理化教科書。 儘管多年以來已有大量且深入的研究,水仍保有其神秘的面紗。 作為液體,水有許多異常現象尚未被完全理解,而其中最廣為人知的即為 最大密度 的現象。 現在這個最大密度的異常現象已由臺灣與日本的合作團隊(由國立交通大學濵口宏夫講座教授領軍),透過在低溫下形成奈米尺寸的微冰晶做出很好的解釋。 這項研究成果將在日本化學會 Bulletin of the Chemical Society of Japan 六月號出版。 在中學課本中「密度」與「熱」的章節中提過,水的密度在 4oC 達到最大值,這個與熱脹冷縮大不相同的異常現象也正是為什麼在冬季時,即使湖面結冰而魚兒仍能在冰面下方的液態湖水中生存。 理組的同學們可能更進一步學習到水的密度異常是由於低溫下的「氫鍵網狀結構擴張」所造成的,所謂氫鍵指的是水分子之間微弱的作用力。 其實 冰的結構是一種立體的網狀結構,由於其間隙多所以造成冰的密度比水來得小 。 此團隊在研究中證明這樣的 網狀結構擴張是因為 奈米冰 (Nano-ice) 的產生所導致的。 因為生成了懸浮於水中的奈米冰,也抑制了原本該增加的液態水密度,因此最終表現出水於 4oC 時密度最大的異常行為。 奈米冰於溫度低於 10oC 時開始生成,因此低於 10oC 的水嚴格來說不能視為純液體。 研究團隊利用拉曼光譜法測定了 -23 ~ 45oC 的範圍內 140 個水的樣品,並且得到各個溫度區間的光譜分析結果。 顯示在這範圍中有三種形式的水出現,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 。 若將「類似冰」型態的水之光譜分析結果與純冰的結果比對,可以得知它們非常類似,所以推測這「類似冰」型態的水實際上是奈米尺度的微小冰晶,可被稱為「奈米冰」。 實驗結果顯示 奈米冰會在冷水和過冷卻水中生成,與另外兩種形式的水,也就是氫鍵結構鬆散的水及氫鍵結構規律排列的水共存 。 此外研究團隊根據先前的光譜學分析,並經過理論模擬計算之後可以得到這三種型態水在不同溫度下所占有的比例,成功計算出水的密度和溫度的關係圖,估算出來的最大密度落在 4oC 左右,與實驗觀察結果完全相符。 所以水於 4oC 時具有最大密度之謎已經得到明晰的解答,預計教科書也會因此而改寫。 —— (本文經合作夥伴 國立交通大學 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈 解開水之謎 交大團隊新發現 將改寫理化課本 〉;圖片來源:中央社。) 4.完整新聞連結 (或短網址): https://buzzorange.com/techorange/2018/07/10/water-4℃/ 5.備註: ※ 一個人一天只能張貼一則新聞,被刪或自刪也算額度內超貼者水桶,請注意 嗶☆咔 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 103.46.141.17 ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Gossiping/M.1531425191.A.45D.html ※ 編輯: Kulapica (103.46.141.17), 07/13/2018 03:53:47
1F:奈米冰就是迷你彬的兒子 223.141.71.235 07/13 03:53
2F:幾點的奈米鄉民最宅? 49.159.236.101 07/13 03:53
3F:挖賽 基礎科學123.195.192.173 07/13 03:54
4F:先解決熱力學第二定律的永動機好嗎118.165.120.133 07/13 03:55
5F:這很基礎啊,我高中就有發現了 27.242.43.194 07/13 03:55
6F:嗯嗯 跟我想的差不多 111.83.255.118 07/13 03:55
7F:只是我沒時間去發現為什麼4度水裡會有冰 27.242.43.194 07/13 03:55
8F:跟我想的一樣 106.1.80.87 07/13 03:56
9F:八卦准許農場網站新聞? 110.50.157.214 07/13 03:57
10F:文組崩潰111.248.208.168 07/13 03:57
11F:讚哦 150.116.232.57 07/13 04:09
12F:我以前就發現了 只是我一直沒有發表 36.226.7.149 07/13 04:18
13F:結果是日本教授 49.158.65.65 07/13 04:19
14F:跟我想得差不多 1.172.80.233 07/13 04:23
15F:一樓怪怪 73.69.20.59 07/13 04:26
16F:奈米冰(nano)是迷你冰(mini)的孫子 73.69.20.59 07/13 04:28
17F:文組真的崩潰 73.69.20.59 07/13 04:28
18F:結果還是靠日本人 111.184.99.201 07/13 04:31
19F:https://i.imgur.com/KOHpTGe.jpg114.137.242.100 07/13 04:34
20F:理化老師會崩潰這樣我怎麼教小孩嗎 111.82.62.63 07/13 04:35
21F:我早就發現了 只是密而不宣 114.26.2.119 07/13 04:37
22F:到底要崩潰三小,水一樣在4°c密度最大沒有 106.1.3.41 07/13 04:41
23F:改變,以前只是不明白是為什麼只能認為這是 106.1.3.41 07/13 04:41
24F:觀察後既定的結果現象,現在只不過是找到了 106.1.3.41 07/13 04:41
25F:真正的原因,可以解釋這件事的理由而已好嗎 106.1.3.41 07/13 04:41
26F:問題是, 水的三種結構為什麼是這種 108.49.130.148 07/13 04:52
27F:比例? 108.49.130.148 07/13 04:52
28F:水的三種結構因為這個比例, 所以4度 108.49.130.148 07/13 04:54
29F:時密度最高 108.49.130.148 07/13 04:54
30F:這個文章回答了部份的答案, 但我不認 108.49.130.148 07/13 04:55
31F:為解決了真正的問題 108.49.130.148 07/13 04:55
32F:就像說車子不動是因為塞車, 但沒回 108.49.130.148 07/13 04:57
33F:答為什麼塞車 108.49.130.148 07/13 04:57
34F:一樣沒解答為啥是4度啊...只說了4度時這 220.141.66.250 07/13 05:03
35F:現象最顯著而已...所以為啥是4度? 220.141.66.250 07/13 05:04
36F:附議An大與s9大的意見,我想最多只能 118.161.75.132 07/13 05:06
37F:用熱力學去解釋,物質傾向最低能量, 118.161.75.132 07/13 05:07
38F:所以能量越低者越穩定,越穩定者含量 118.161.75.132 07/13 05:08
39F:越多去解釋,但如兩位所說,到底原因 118.161.75.132 07/13 05:09
40F:為何會是這種比例與此現象出現,真的 118.161.75.132 07/13 05:10
41F:是啥都沒說...變得有說跟沒說是一樣的 118.161.75.132 07/13 05:10
42F:我看要解答還很早 118.161.75.132 07/13 05:11
43F:五樓奈米屌111.184.191.141 07/13 05:20
44F:為什麼4度應該就要算一下變最穩定 1.200.223.4 07/13 05:39
45F:還是4度西密度最大,改寫? 117.19.33.250 07/13 05:40
46F:改寫什麼?水還是在4。C時密度最大啊 42.74.96.127 07/13 05:46
47F:推 59.115.125.178 07/13 05:51
48F:上面幾樓到底在工三小182.234.164.157 07/13 06:20
49F:原文不就寫在低溫下因為奈米冰的存182.234.164.157 07/13 06:21
50F:在會抑制密度的成長182.234.164.157 07/13 06:21
51F:(本來溫度越低分子平均動能越低密182.234.164.157 07/13 06:21
52F:度要越高)182.234.164.157 07/13 06:21
53F:所以本來在1atm下,本來最大密度應182.234.164.157 07/13 06:21
54F:該出現在0度的液體水實際溫度比0度182.234.164.157 07/13 06:22
55F:高了一點(約4℃)182.234.164.157 07/13 06:22
56F:而為什麼這個值是4℃?182.234.164.157 07/13 06:22
57F:℃啦幹 1.163.3.250 07/13 06:22
58F:沒有解決問題的核心,為什麼發生在4度C 220.143.59.23 07/13 06:22
59F:是用他們研究的理論模型給電腦跑出182.234.164.157 07/13 06:22
60F:的結果182.234.164.157 07/13 06:22
61F:想知道理論怎麼來的自己去找paper吧182.234.164.157 07/13 06:23
62F:這個團隊只是說明了4度C會發生什麼事 220.143.59.23 07/13 06:23
63F:沒有解答為何會發生在4度C 220.143.59.23 07/13 06:24
64F:會不會跟氣壓或重力有關? 115.166.32.159 07/13 06:28
65F:4℃是算出來的 原文有提到用光譜學182.234.164.157 07/13 06:30
66F:看來是冰只是推測而已啊 107.77.226.33 07/13 06:41
67F:改寫?4度水密度不是最大才叫改寫吧 223.140.78.232 07/13 06:42
68F:原文說根據氫鍵結構排列分類出三種水分子 114.36.247.106 07/13 06:42
69F:並且根據光譜建立這三種水分子的比例和溫度 114.36.247.106 07/13 06:42
70F:的相關 建立數學模型 這在物理學上就是找到 114.36.247.106 07/13 06:45
71F:原因了呀... 虎克玩彈簧還不是做同樣的事 114.36.247.106 07/13 06:46
72F:小彬彬 小小彬 迷你彬 奈米彬 114.39.57.65 07/13 06:46
73F:這不是改寫吧,等你從4度改寫成5度在來 114.42.132.216 07/13 06:49
74F:八卦版來嘴 114.42.132.216 07/13 06:50
75F:喔,這有什麼用嗎? 101.13.244.19 07/13 06:51
76F:這不是改寫吧 只是發現原因罷了 220.132.60.205 07/13 06:52
77F:還是沒講為何是四度150.116.209.226 07/13 07:00
78F:改寫的是如何解釋4℃密度最大的原因吧 36.226.249.49 07/13 07:01
79F:以往是說因為水分子的氫鍵作用 但奈米冰的 36.226.249.49 07/13 07:03
80F:理論比氫鍵說更能解釋這現象 36.226.249.49 07/13 07:03
81F:類似隔壁碰碰 以為是在造愛 原來是發電 220.132.60.205 07/13 07:04
82F:改寫個頭,結論不是一樣嗎 218.164.13.130 07/13 07:09
83F:快推 要不然別人以為我看不懂 180.217.186.81 07/13 07:09
84F:嗯嗯我也是這麼想的114.136.155.211 07/13 07:19
85F:我之前也有這樣想過 175.97.51.186 07/13 07:22
86F:因為不是4度 就有可能是3度 或5度 203.67.141.144 07/13 07:30
87F:有意義嗎? 203.67.141.144 07/13 07:31
88F:改寫什麼? 101.10.39.237 07/13 07:36
89F:可4偶只有奈米屌 39.10.195.117 07/13 07:36
90F:日本研究沾什麼光 223.141.26.14 07/13 07:38
91F:改寫是4度C的原因 59.126.246.93 07/13 07:38
92F:以前都是說氫鍵的關係 59.126.246.93 07/13 07:40
93F:這的確是改寫阿~~~原因不一樣 59.126.246.93 07/13 07:41
94F:4度C只是許多過程交叉的一個節點,一堆 111.250.138.75 07/13 07:43
95F:文組不知道在吵什麼= = 111.250.138.75 07/13 07:44
96F:吵著要4度C,像吵說老爸為何不是李嘉誠 111.250.138.75 07/13 07:45
97F:這篇明明有說為什麼是四度,因為部分水 49.159.163.65 07/13 07:46
98F:從十度開始結冰,剩下的水繼續冷縮,部 49.159.163.65 07/13 07:46
99F:分的水開始冰脹,在四度的時候剩下來冷 49.159.163.65 07/13 07:46
100F:縮的水增加的密度開始敵不過其他水分子 49.159.163.65 07/13 07:46
101F:變成冰的速度,所以密度開始增加,一堆 49.159.163.65 07/13 07:46
102F:文組...... 49.159.163.65 07/13 07:47
103F:而忽略自己只是你爹娘的過程而已 111.250.138.75 07/13 07:47
104F:更正倒數第二局,是密度開始減少。 49.159.163.65 07/13 07:48
105F:句 49.159.163.65 07/13 07:48
106F:奈米冰就是迷你彬的兒子 1.169.243.221 07/13 07:48
107F:跟我想的一樣 223.141.146.83 07/13 07:54
108F:某樓推文硬要戰理文組…生活太無聊嗎? 219.71.216.119 07/13 07:55
109F:認真問 這可以有助於解釋彭巴效應嗎? 39.12.166.199 07/13 07:56
110F:真的是文組...什麼問題,呵呵180.176.190.103 07/13 07:57
111F:跟我想的一樣 49.151.48.232 07/13 07:57
112F:我早就知道了,只是這裡的推文空間太 118.170.67.41 07/13 07:59
113F:小了 118.170.67.41 07/13 07:59
114F:所以改寫什麼? 111.82.182.2 07/13 08:01
115F:4蚓 42.72.83.97 07/13 08:04
116F:四℃ 42.72.83.97 07/13 08:05
117F:簡單說 你把氣球壓縮到臨界點, 在四度西爆114.137.155.194 07/13 08:08
118F:4oC 223.141.80.107 07/13 08:08
119F:開了, 懂?114.137.155.194 07/13 08:08
120F:.. 223.140.71.253 07/13 08:10
121F:我頭好痛…… 42.73.215.37 07/13 08:16
122F:嗯嗯,上次才討論過,果然沒錯,肆肚吸 1.200.215.139 07/13 08:16
123F:推114.137.210.134 07/13 08:16
124F:可以調整溫度的拉曼,聽起來很好噱 101.9.148.248 07/13 08:17
125F:那為什麼4度之下奈米冰最多123.195.120.146 07/13 08:18
126F:不是四度最多,是溫度越低越來越多,純 49.159.163.65 07/13 08:20
127F:水越來越少,導致密度增減出現交叉。 49.159.163.65 07/13 08:20
128F:改在哪裡? 結論還不是一樣 203.203.68.79 07/13 08:20
129F:一堆文組 42.76.180.42 07/13 08:22
130F:-4℃還是一樣阿 改寫什麼八七 180.217.100.5 07/13 08:26
131F:我是這樣設定的 36.234.11.14 07/13 08:26
132F:因為以前不知道為啥啊,現在知道了不就可 36.228.111.200 07/13 08:26
133F:以加進課本裡了 36.228.111.200 07/13 08:27
134F:台灣人只要背好結果,管他原因當然不用 36.228.111.200 07/13 08:28
135F:改寫課本 36.228.111.200 07/13 08:28
136F:推文問為啥是4度 跟問為啥0度會結冰有啥差 223.140.74.89 07/13 08:30
137F:? 223.140.74.89 07/13 08:30
138F:簡單又有道理,真不錯的基礎研究 115.82.215.157 07/13 08:35
139F:小彬彬 小小彬 迷你彬 奈米彬 123.110.38.180 07/13 08:38
140F:國中講這個的時候大家都當我智障幹 42.76.182.130 07/13 08:44
141F:而且講到氫鍵和奈米結構,台灣的教材也是到180.217.219.254 07/13 08:46
142F:高中才講,哪有改寫全世界的理化課本,最少180.217.219.254 07/13 08:47
143F:台灣的中小學課本都不會被改到,這記者的邏180.217.219.254 07/13 08:47
144F:厲害 125.227.28.32 07/13 08:47
145F:輯能力堪憂啊!180.217.219.254 07/13 08:48
146F:台灣學生只要死背就好了,真的不管 14.221.118.86 07/13 08:52
147F:原因,這篇文都寫清楚為啥是四度c了 14.221.118.86 07/13 08:52
148F:還一堆人看不懂 14.221.118.86 07/13 08:53
149F:科學 推 111.82.51.13 07/13 08:57
150F:有些人看文的重點擺在改寫 笑死 49.216.134.21 07/13 09:12
151F:一堆北七 都找到真正原因了還不能講改寫220.132.145.238 07/13 09:22
152F:H-bond 36.230.169.196 07/13 09:22
153F:研究給推 36.231.148.145 07/13 09:27
154F:我就覺得水在奈米下很奇怪 原來會導致 182.234.57.196 07/13 09:27
155F:4℃水密度最大阿 182.234.57.196 07/13 09:27
156F:mini nano 中間還有micro彬114.136.158.243 07/13 09:34
157F:課本沒有寫過 因為編寫課本的 根本連告114.136.158.243 07/13 09:35
158F:知同學們"這尚未解答" 的描述也沒有114.136.158.243 07/13 09:35
159F:怕沒面子 像是鑽石絕緣這種鬼話都寫入114.136.158.243 07/13 09:36
160F:愛死背的人大概才會在乎改寫 49.218.96.219 07/13 09:59
161F:所以可樂搖一下馬上出現冰沙就這道理 111.246.80.83 07/13 10:11
162F:4度密度最大就是三種狀態的比例分布堆疊起 223.137.40.145 07/13 10:11
163F:來體積最小啊 223.137.40.145 07/13 10:11
164F:溫度接近零度,已經存在許多奈米級冰 111.246.80.83 07/13 10:12
165F:就是溫度降低造成的密度提升 和冰產 111.71.59.227 07/13 10:35
166F:生造成的密度降低 之間的拮抗 4℃時 111.71.59.227 07/13 10:35
167F:剛好兩者相等 111.71.59.227 07/13 10:35
168F:弱 我國中就知道了 110.28.200.210 07/13 10:51
169F:為何10℃和4℃奈米冰的數量不同 61.218.224.130 07/13 11:02
170F:就按變化情形跑模擬出來得到4度啊~ 很 211.75.221.187 07/13 11:03
171F:明確的寫出原因了! 211.75.221.187 07/13 11:04
172F:我是指 凍結點和沸點都是一個定溫 為何 61.218.224.130 07/13 11:06
173F:奈米冰是隨著溫度降低而增加比例 61.218.224.130 07/13 11:06
174F:神秘 39.10.224.238 07/13 11:10
175F:看了推文才懂 36.226.24.106 07/13 11:12
176F:wow 27.52.234.129 07/13 11:34
177F:原理被改寫啊!一堆人問改寫什麼= =223.136.107.182 07/13 11:36
178F:嗯嗯 跟我想的一樣 101.12.247.80 07/13 11:52
179F:嗯嗯跟我想的差不多 49.214.208.68 07/13 11:53
180F:確定不是水精靈的緣故? 42.75.224.40 07/13 12:06
181F:知道這個能幹嘛140.123.103.134 07/13 12:07
182F:廢物幹你娘鬼島台灣,還不是低薪 115.82.210.200 07/13 12:13
183F:並不是改寫,是增加註解啦 223.139.131.9 07/13 12:14
184F:嗯嗯跟我想的差不多 101.9.161.37 07/13 12:26
185F:所以對生活有幫助嗎 180.204.36.244 07/13 12:28
186F:喔喔 跟我想的差不多 110.29.116.96 07/13 12:34
187F:我覺得這還蠻有趣的啊,這表示水在10度就開 1.171.130.173 07/13 12:35
188F:始相轉,只是打拉曼就只有一點變化 1.171.130.173 07/13 12:35
189F:哪裡沒解釋4度的原因?明明是你看不懂 49.216.182.27 07/13 12:36
190F:! 49.216.182.27 07/13 12:36
191F:跟我想的差不多 110.26.65.225 07/13 12:47
192F:一堆人文章閱讀有障礙.... 49.217.214.129 07/13 13:11
193F:閱讀障礙已經跟文理組無關了 1.164.175.121 07/13 13:18
194F:. 61.227.231.130 07/13 13:26
195F:文組正在幹妹紙 崩潰什麼?182.235.128.190 07/13 14:16
196F:嗯嗯 跟我10年前想的差不多 101.15.16.176 07/13 14:42
197F:只會用背的才會問改寫哪裡 119.77.200.121 07/13 15:19
198F:113 7起來 118.170.8.33 07/13 15:49
199F:改寫? 220.138.21.116 07/13 16:14
200F:嗯嗯,跟我想的差不多101.136.190.223 07/13 16:53
201F:其實重要的是10度開始就不是純液體 140.109.65.182 07/13 16:58
202F:這是閱讀測驗吧www 看不懂的不一定 223.140.173.34 07/13 18:11
203F:是文組(遠目 223.140.173.34 07/13 18:11
204F:母校讚啦 223.140.3.43 07/13 18:12
205F:台灣慣老闆:這是能賺多少錢? 140.112.156.68 07/13 18:16
206F:推 49.218.97.8 07/13 19:21
207F:改寫???223.136.167.217 07/13 19:22
208F:現在國中理化會提到氫鍵跟弱作用力喔? 101.15.22.83 07/13 20:31
209F:花點時間去看一下論文好ㄇ140.123.214.143 07/13 21:25
210F:跟我想的一樣 223.141.49.69 07/13 21:55
211F:oC 101.10.86.66 07/14 00:40
212F:觀察到的現象是事實 原因是推測得來的 61.69.40.10 07/14 04:07
213F:講了這麽多還是沒有解釋為什麼只有水是這樣208.124.194.250 07/14 07:16
214F:。208.124.194.250 07/14 07:17
215F:真的是一堆低能 還敢質疑別人沒講為什 140.113.69.152 07/19 12:23
216F:麼是4℃ 140.113.69.152 07/19 12:23