如何獲得105度的清純蒸餾水？

熱愛105度的你，滴滴清純的蒸餾水！

本文含有危險操作，請勿在家中模仿

省流版：根據高中物理學到的克勞修斯-克拉伯龍方程，可以求得當水的沸點超過105攝氏度時，環境壓強需要達到121千帕（約等于1.2個標準大氣壓）。因此只需要一個普通高壓鍋（內部氣壓可以達到2個標準大氣壓）燒開水就可以輕松達成“105度的蒸餾水”成就！還有更簡單（但比較危險）的方法，參見正文——

什么是蒸餾水？

蒸餾水通常情況下指代的是不含任何雜質（礦物質、其他液體、空氣泡）、完全由水分子組成的純凈水。我們都知道水的沸點是100攝氏度，冰點是0攝氏度。但實際上，對于一滴清純的蒸餾水，0度和100度并非絕對的界限：零下的“過冷水”在自然界廣泛存在，100度以上的“過熱水”也很不難獲取！

方法一：改變氣壓

地球有大氣層，我們都生活在大氣層的底部。大氣層自然也是受到地球重力約束的——實際上，地球上的每個人頭頂都頂著一千多公里高的大氣柱子！這個大氣柱子在頭頂產生的壓力除以面積，就是“大氣壓”。

證明大氣壓強存在的著名實驗——馬德堡半球實驗

在標準大氣壓下，水才有0攝氏度的冰點和100攝氏度的沸點。當環境壓強發生變化，兩種變化發生的溫度也會隨之調整。按照高中物理知識，水的沸點溫度與大氣壓強的關系可以用克勞修斯-克拉伯龍方程來描述：

對于溫度T1=105攝氏度，可以算出需要的壓強P1=120517帕斯卡，即120.517千帕，約等于1.2個標準大氣壓。所以在1.2個標準大氣壓下，水的沸點就會來到105攝氏度！

水在固-液-氣之間轉化的過程也叫“相變”，由環境壓強和溫度決定，我們可以通過“三相圖”來查找特定氣壓和溫度下水的狀態。當溫度超過374攝氏度并且氣壓超過22064千帕（約218個大氣壓）時，也就是臨界點，水會變成“超臨界流體”，難以區分氣態或者液態。而在溫度為0.01攝氏度并且氣壓只有611帕斯卡（千分之六個大氣壓）時，水可以在固、液、氣三種狀態之間自由轉化，這個點也被稱為三相點。克勞修斯-克拉伯龍方程描述的就是從三相點到臨界點中間的這一段邊界線（下圖藍線）。

方法二：沒有那么復雜！

直接靜置加熱到100度以上！

（危險操作，請勿隨意模仿）

當溫度突破100攝氏度，純凈水如果本身不含任何氣泡，那么它不會立即沸騰，比如在微波爐中長時間加熱一杯靜置的純凈水。這種“過熱水”狀態可以持續到將近120攝氏度。此時取出這杯水，只要有任何干擾破壞了水滴的表面，引入水泡，液態水內部分子之間的氫鍵就容易快速斷裂，我們就會看到一整杯水在短時間內迅速沸騰，短時間會產生大量超過100攝氏度的高溫水汽，極其容易燙傷，沒有安全措施的小伙伴請勿嘗試！

為什么？首先，微波爐熱水時水的整體受熱較為均勻，難以出現內部的對流，因此在加熱過程中很難出現氣泡。而水的沸騰必須要有氣泡作為“核”。水從液態變為氣態或者液態變為固態的相變過程中，能量方面其實與各類化學反應一樣，需要跨越一個“門檻”，稱為“激發能”。如果沒有外力干擾破壞這個“門檻”，水就會一直保持液態。

汽水的氣泡也是如此產生的。汽水里的氣泡本質上是溶解在水中的二氧化碳氣體。由于二氧化碳的沸點非常低（-78攝氏度），室溫經過高壓靜置后基本沒有氣泡的汽水，只要稍有晃動就會迅速產生大量氣泡。如果加入“曼妥思”糖，糖果表面自帶的大量孔隙是極其良好的核化初始點位，會迅速產生巨量氣泡。

插入水杯的手指提供了大量可以產生“核”的位點，促使大量氣泡產生并附著在手指表面。（不要插入熱水哦！）

成核過程（nucleation）與過冷水

類似地，當溫度下降到0攝氏度以下時，通常情況下我們會看到水開始結冰的現象。但也有例外：大氣層中的云能保持到零下40度都不結冰！

一個簡單的過冷水實驗：將一瓶未開封的純凈水放進冰箱冷凍室（或者寒冬夜晚的車里）充分冷凍一段時間，然后不管是打開瓶蓋，還是用物體敲擊瓶身，都可以發現一整瓶水快速凍結為冰的神奇現象。

為什么呢？這是因為水結冰需要有“核”作為起始點，這種“核”可以是微小的難溶固體顆粒，比如沙子、花粉、細菌，也可以是粗糙的固體表面，比如鐵欄桿、有污漬的玻璃等。在這樣的界面上，液態水中沒有規則的水分子更容易排布出冰的晶體結構，可以迅速“成核”凍結，即使這個物體本身溫度并不在零下。冬季戶外一些物體表面容易結冰、結霜，還有美麗的霧凇現象，往往是懸浮在空氣中的水在某個界面上凍結而成。

雪和冰雹的形成，也是由于空氣中存在的氣溶膠顆粒為過冷水提供了“凝結核”。這樣的凝結/凍結過程稱為“異質成核”過程，因為水滴的凝固有其他物質參與。如果要讓水滴僅依靠自身凍結（均質成核），需要溫度降低至-38攝氏度以下！

不正確的方法：破壞蒸餾水的“清純”

值得一提的是，水中如果存在可溶性物質如食鹽、糖等，水的凝固點就會下降，而沸點上升。

水凝固成冰時，散亂的水分子需要依靠穩定的氫鍵變成更為規則的晶體結構，而外來的離子和分子很容易破壞這些氫鍵，導致水分子很難湊出規則的冰晶結構，因此凝固點降低。

氫鍵很容易被外來的“雜質”破壞

水沸騰時，需要使得水的飽和蒸氣壓超過大氣壓，而鹽離子或者糖分子這些“雜質”則會降低水的飽和蒸氣壓——簡單來說，因為在水面上，“雜質”會取代一部分水分子，從而抑制水的沸騰。這個現象被法國科學家拉烏爾總結為拉烏爾定律：在一種溶液中分子數量占比百分之x的液體成分，蒸氣壓是其純液體的百分之x，如下圖所示。

鹽水、糖水在100攝氏度也不會沸騰，需要提高溫度或者降低外界氣壓。當然，這樣一來水也不“清純”了！

當下一次聽到“super idol的笑容”響起，希望你還能記得，105度的蒸餾水并非無稽之談~

參考資料

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.

來源：石頭科普工作室

編輯：夜凌Ryelin

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