水汽在冷表面凝结时会有分子转化为过氧化氢

无论是在浴缸还是在海洋里,水都是相对温和的物质,几乎没有化学活性。但是斯坦福大学的研究人员发现,当以极微小液滴的状态存在时,水会出现令人惊讶的反应性。

在线度仅几百万分之一米的微滴水中,部分分子转化为水更紧密的表亲——过氧化氢(常用作消毒剂和头发漂白剂,刺激性的化学物质)。

斯坦福大学的科学家去年首次报告了水分子的意外行为。现在,在新研究中,同一团队已经表明,当微滴从空气中冷凝到冷表面上时,也会发生同样的变换。新的结果指出,水的过氧化氢转化是普遍现象,发生在雾,薄雾,雨滴以及其他自然形成的微滴中。

这一令人惊讶的发现可能导致更绿色的表面消毒或促进化学反应的方法。拥有玛格丽特·布莱克·威尔伯(Marguerite Blake Wilbur)自然科学教授和化学教授头衔的资深作者Richard Zare说:“已经证明,在水滴中形成过氧化氢的过程是一个广泛而令人惊讶的现象,一直就发生在我们的鼻子下面。”

研究人员还推测,这种新近认可的水化学能力可能在数十亿年前推动地球生命化学的发展中发挥了关键作用,并且在生命出现之前就产生了最早的大气氧。“过氧化氢的自发产生可能是关于原始生命的故事的一章。”

这项新研究的共同主要作者是斯坦福大学的科研人员Jae Kyoo Lee和Hyun Soo Han ,论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

凝结现象很容易自然形成,而无需借助喷雾器之类的外力。当空气中的水蒸气(气体)在接触较凉的表面时转变为液体,就是所谓的冷凝。如冬天的时候,带着眼镜进入室内,眼镜上那层霜。

斯坦福大学的团队让水汽在多种材料上冷凝,包括硅,玻璃,塑料和金属。然后研究人员用一块试纸擦拭冷凝水,如果上面含有过氧化氢,则试纸变色。结果,试纸条真变成了蓝色。形成的微量过氧化氢(百万分之一量级)含量基于诸如表面温度和相对湿度等因素而变化。研究人员还指出,随着水滴规模的增长,微滴中形成的过氧化氢会被稀释,这也许可以解释为什么这种转化长期以来被忽略了。

新实验还支持了研究人员提出的过氧化氢形成的机制。他们证明,在水和空气的界面处(在微滴的外围)产生的强电场似乎激活了水分子,形成了所谓的活性氧。这些物质是不稳定的分子片段,可以与其他分子快速反应生成过氧化氢。

Zare推测,这种古老而广泛的化学反应甚至可能在出现光合作用生物前,就为早期生命提供氧气(因为过氧化氢分解成水和氧气分子)。

Zare的团队目前正在研究如何利用微滴-过氧化氢来进行清洁和消毒。

“通过这项新研究和长期的工作,我们正在解释水滴如何以及为什么在化学反应性方面与常态水如此不同。“从化学角度讲,水仍然有很多小秘密,这是令人惊讶的。”

原文:https://phys.org/news/2020-11-scientists-microdroplets-hydrogen-peroxide-condensing.html

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