看不见的分子



物态变化是自然界最常见的现象之一，每时每刻都在我们身边发生。以水为例，它不停地在固态、液态、气态这3种状态之间转化，我们见到的冰、露、霜、雪、雾等，都是水的化身。水蒸气也是水的化身，但是我们的肉眼看不到，我们只能看到由水蒸气变成的液态或固态。

自然界所有物体都是由大量分子构成的。2 500万个人手拉手可以绕地球赤道一周，而2 500万个分子挨在一起排队，长度只有1厘米。1标准大气压下，手指头大的容器里，可容纳约2.7×1019个气体分子。假设让这些气体分子从容器中跑出来，1秒跑出1亿个，需要9 000年才能跑完。如果每秒数出100亿个，要数80年。如果手指头大的容器里装的是水，大约有3.3×1022个水分子，把它们平均洒在地球表面，每平方厘米有6 000多个水分子。现在我们知道分子是多么小了，肉眼根本看不见。

分子间有空隙。我们会发现，吹足气的气球放置几天就会变瘪，原因就是气球内的气体分子从组成气球皮的分子间隙跑掉了。打足气的自行车放置一段时间，轮胎就会变瘪，这也是同样的道理。如果我们可以将自己变得像原子那样小，或者像质子、中子那样小，就可以毫不费力地穿过所有障碍物了。





固、液、气的神奇变化



组成物质的分子在永不停息地做无规则运动，温度越高，分子无规则运动越剧烈。分子间既有引力又有斥力，引力和斥力的大小与分子间距离有关。

一般来说，固体的分子间距离较小，分子间的引力和斥力都比较大，这就导致分子只能在平衡位置上做无规则的振动。就像正在上课的学生，可以在自己座位上翻书、做笔记、调整坐姿，但是不能随便“下位”。这就能让固体维持一定的体积和形状。当我们给固体加热时，或者说当固体吸热时，组成它的分子的无规则运动会加剧，分子的振动空间会变大。当分子间距离拉开，宏观上就表现为物体的体积增大。如果吸热足够多，无规则运动的分子就可以摆脱周围分子的约束，能“下位”溜达了，这在宏观上就表现为物体能流动起来，固态就变成液态了，即发生了熔化。反之，如果我们将液体压缩，或者降温，又可以让液态重新变为固态，这就是凝固。

液体表面的分子相对于内部的分子受到的约束少，在做无规则运动时，有可能脱离群体跑到空气中去，这就是蒸发。蒸发总是发生在液体表面的，而且任何温度下都会有分子“开小差”跑掉——也就是说，蒸发在任何温度下都能发生。我们洗过手会晾干，洗过的衣服会晾干，地上的积水也会晾干，都是因为水蒸发了。

如果环境温度高，水分子能获得更多的能量，就更有可能脱离其他分子的约束。所以，我们如果想让湿衣服快速变干时，会将衣服晾在阳光下。当然，还要把衣服尽量展开，能放风口更好——表面积越大，表面空气流速越大，水蒸发得越快。水蒸发时，需要从周围吸收热量，因此可以起到降温的作用。夏天，我们在地面洒水来降低环境温度，就是利用了这个原理。

相同条件下，酒精蒸发得更快。我们在温度计的玻璃泡上喷些酒精，会迅速闻到刺激性气味，这是因为酒精蒸发，酒精分子弥漫在空间里的缘故。由于蒸发吸热，我们会观察到温度计的示数迅速下降。当酒精蒸发完毕，温度计示数又会慢慢上升，回到室温。

由液态变为气态，我们称之为汽化。汽化有两种方式，除了蒸发，还有沸腾。沸腾在液体表面和内部同时进行，内部的水蒸气争先恐后地往水面上升，导致水花翻滚，同时发出响声。

沸腾需要两个条件：一是温度达到沸点，二是能持续吸热。沸点受气压影响，当水面气压减小，水的沸点会降低；当水面气压增大，水的沸点会升高。用高压锅可以增大水面气压，从而提高水的沸点，这样食物就容易变熟。

我们在家烧水时，会看到水面冒“白气”。这种“白气”其实不是气体，而是高温的水蒸气遇冷变成的小水珠，这个过程我们称之为液化。拿起锅盖，我们会看到锅盖上的水滴，这也是水蒸气液化而来的。等到锅盖的温度升到一定程度，液化就不再发生了，因为与水蒸气的温度差太小了。冬天我们有时往手上哈气给手取暖，手感觉暖和的同时，还会有湿湿的感觉，这是因为呼出的温度较高的水蒸气遇到温度较低的手，放出热量，液化成了小水珠。



固态和气态之间也可以直接转化。为了防蛀，我们会在衣柜或书橱里放上樟脑丸。我们可以嗅到樟脑丸散发出的刺激性气味——它由固态直接变成了气态。这种物态变化叫作升华，需要吸热。它的逆过程是凝华，需要放热。白炽灯的灯丝是金属钨制作的，通电时钨丝发光，因为受热，部分钨的分子从钨丝上“逃逸”，变成了钨蒸气，升华就发生了。但是，这时钨丝并没有熔化，也就是说，升华的温度是低于熔点的。



灯灭了后，温度下降，钨蒸气便放出热量，发生凝华——在温度较低的灯泡内壁聚集，变成钨粉，重新回到固态。因此，白炽灯使用时间长了以后，灯泡便会变黑，内壁上的一层薄薄的钨粉影响了透明度。同时，灯丝越来越细，也会让功率下降。日光灯管变黑也是同样的原因。



你留意过这些冬季现象吗



气温很低的冬季，洗过的衣服晾在外面会变硬，这是因为水凝固了。但是，冰冻的衣服也会变干，因为冰发生了升华，直接变成了水蒸气。哈尔滨在冬季会举办冰雕节，那些冰雕会一天天变小，也是因为升华的缘故。冬天我们堆雪人，气温在0℃以下，雪不会熔化，但是雪人一天天变小，这也是因为雪发生了升华。

因为日照，空气中的水蒸气白天温度较高，夜晚环境温度下降，水蒸气对外放热。当温度差不是很大时，可能发生液化现象，草叶上的露珠、浮在空中的雾就是这么形成的。如果气温骤降，导致温差很大，水蒸气则会发生凝华，地面上的霜和高空的雪都是这样形成的。“霜前冷，雪后寒”，说的就是霜现象发生之前会有一个气温骤降的过程，而下完雪之后，不论雪发生熔化还是升华，都需要吸热，导致气温降低。

冬天房间里温度高，而窗玻璃温度低，房间里温度较高的水蒸气就会在玻璃的内表面发生液化，导致玻璃内表面上起雾；或者发生凝华，导致玻璃内表面上出现一层冰花。冰花、雪花、霜花都是水蒸气凝华成的晶体，形状规则，所以称之为“花”。而在夏天，开空调的房间温度低，室外水蒸气温度较高，水蒸气会在玻璃外表面发生液化。坐公交车时，有时发现窗户玻璃上也会出现白雾或冰花，它们一定出现在温度高的那一侧。



人工造“雪”的实验



我们可以利用樟脑丸，来做一个人工造“雪”的实验，实验过程中一定要注意安全。



找个锥形瓶或者玻璃杯、试管、玻璃瓶，其他透明的、防烫的容器也行。将樟脑丸包在纸里，用锤子或者钳子将樟脑丸粉碎，然后将粉末倒入容器底部。在容器里吊挂些布条，或者小树枝、棉线等，再将容器加热。加热方式有很多，可以用酒精灯火焰、蜡烛火焰加热，或者将容器底部放进开水中。一两分钟后，停止加热。如果加热温度比较高，我们可以观察到容器中出现液态物质，这是樟脑丸的熔化现象。不需要达到这么高的温度，樟脑丸就会升华。



停止加热后，静待容器冷却，你会看到容器内壁出现细小的樟脑丸晶体，就像一片片雪花。此时将小树枝、布条、棉线等从容器中取出，你就可以仔细观察附着在上面的“雪花”了。