太空科学课（十二））——“点水成冰”的魔法法

文/太空熊猫君

2022 年3 月23 日下午，天宫课堂再次开课。这一次的太空授课时值北京冬奥会闭幕不久，航天员们也紧跟时事，给我们带来了冰雪主题的科学实验。

第一个实验就是微重力环境下的太空“冰雪”实验。王亚平在太空中“点水成冰”，把一个水球瞬间变成了一个“冰球”！这么有趣的魔法，是怎么实现的呢？

这个实验是天宫课堂开展以来第一个和化学有关的实验（注意：这个实验的过程中并没有新物质的生成，所以它本质上仍是物理变化而非化学变化，不过这个实验涉及的物质、科学概念和原理都在化学课中更为常见，所以说和化学的关系更强）。想要施展这个魔法，我们需要准备一些过饱和的乙酸钠溶液。等等！乙酸钠是什么？什么是过饱和？别急，太空熊猫君一点一点为你解释。

乙酸钠是一种有机物，它本身是一种无色透明的晶体。别看它的名字让人感觉陌生，其实获取它很容易。王亚平就给我们介绍了一种很简便的方法：把白醋和小苏打加入水中，就可以制备乙酸钠溶液。这是怎么一回事呢？

其实，乙酸也叫醋酸，我们常用的各种醋，其中的主要成分就是醋酸，而白醋本质上就是一种乙酸的溶液。我们蒸馒头或者蒸包子的时候经常会用到的小苏打，可以让馒头和包子的面皮变得更加松软。小苏打的化学名称叫碳酸氢钠，是一种无机化合物，当它遇到酸性物质的时候，就会迅速分解，产生二氧化碳气体。我们在做馒头的时候用到它，就是希望通过它分解出来的二氧化碳在馒头内部产生很多“小空洞”，这样馒头就非常松软啦。当我们将白醋和小苏打放在一起的时候，一个很简单的化学反应就产生了。碳酸氢钠遇到了乙酸就会发生反应，释放大量二氧化碳，剩下的物质就是乙酸钠（注意：此时的溶液实为醋酸根离子和钠离子的混合溶液，不要直接理解为乙酸钠分子的溶液）。如果加入白醋和小苏打的比例合理，你就会得到一份完美的乙酸钠溶液。

知识链接

分子由原子组成，是化学反应中的最小粒子。离子是带电的原子或者原子团，根据原子或原子团失去或得到一个或几个电子而分为正离子（阳离子）和负离子（阴离子）。

我们再来看过饱和。你肯定知道像食盐、白糖这些物质放入水中后会溶化消失，这种现象我们称为溶解。溶解是指两种以上的物质混合在一起逐渐变得均匀的过程。在溶解的过程中，质量比较大的物质被称为溶剂，上述例子中的水就是溶剂，而质量比较小的物质被称为溶质，例子中的食盐、白糖就属于溶质。溶质可以是固体、液体或者气体，而溶剂也可以是液体、气体，甚至是固体。科学家们还发现，在一定的气压和温度下，溶剂溶解溶质的能力是有限的，举例来说，如果你将大量的食盐倒入一小杯水中，多余的食盐就会在底部结晶沉淀。这个时候的盐水已无法再溶解食盐了，处于饱和的状态，这杯盐水就叫作食盐的饱和溶液。

那什么是过饱和呢？溶解现象比我们想象的还要复杂许多。在特殊的情况下，溶剂溶解溶质的量会超过饱和这个限度，这就是过饱和现象。不过，过饱和的溶液是不稳定的，如果受到了震动或是我们再为溶液提供一点点溶质物质，溶液里面的溶质就会快速结晶析出。在太空实验中，王亚平手里拿的就是过饱和的乙酸钠溶液。看得出来，她操作得很小心，因为一旦发生震动，这一袋过饱和乙酸钠溶液就会变成饱和乙酸钠溶液和三水合乙酸钠结晶的混合溶液。

明白了什么是过饱和乙酸钠溶液，王亚平做的实验就不难理解了。她小心地从水袋里挤出一个乙酸钠溶液球，这个小球看起来和水球一样，无色透明，在空间站中自由飘荡。“冰雪”实验的玄机就在王亚平随后拿出的小棍子上，这个小棍子上沾有一些乙酸钠的晶体粉末，一旦接触到过饱和乙酸钠溶液，溶液中的乙酸钠就会快速结晶，直到整个溶液球都变成了乙酸钠的水合晶体，看起来就像一颗冰球啦！

其实，过饱和乙酸钠溶液的结晶实验，我们在地面上比例。值得一提的是，绝大多数的溶解过程都是一个吸热也是可以完成的，不过特别要注意合理配置溶质和溶剂的的过程；反之，当晶体从溶液中析出的时候，就会释放出热量。所以当王亚平触摸乙酸钠晶体球的时候，会明显感受到它是温热的。这个原理在我们的生活中也有应用。你有没有见过一种叫作“发热袋”的产品？透明橡胶袋里充满了一种液体，液体中漂浮着一小块金属片。如果用手指用力掰动金属片，袋子里的液体就会开始结晶放热，给我们带来热量。其实，这个袋子里面装的就是过饱和的乙酸钠溶液，当我们掰动金属片的时候，金属片产生的震动就会使乙酸钠开始结晶。

◎发热袋发热前

◎发热袋发热后