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水的配方,宇宙的造水之旅

水今天我們談論一下水,水為什么如此重要?H?O(它的分子式)不僅是孩子們在學校里記得的唯一的化學分子式,也是生命的母體。因此,通過了解什么是水以及宇宙中的第一滴水是怎么來的,你就能更好地了解你是由什么組成的。

什么是水?水的配方

讓我們把一些水凍結成塊冰,用我們最好的刀片開始切割。如果我們一直切,最終我們會得到一個由3個原子組成的簇(兩個氫原子和一個氧原子)。這說明了什么?

水是一種化合物,但它對生命如此重要,以至于幾個世紀以來,我們一直認為水是一種不可分割的元素。這意味著我們永遠只討論水分子而不討論水原子。所以如果我們要從頭開始制造水,我們需要一些原子(氫和氧),而要制造原子,我們需要質子和電子。

所以如果我們要數,我們會看到氫原子有1個電子和1個質子,而氧原子有8個。但我們僅僅靠計算并不能解釋為什么我們需要混合2個氫原子和1個氧原子才能得到水,或者為什么鈉(11個質子)是一種活潑性軟金屬,而氯(17個質子)是一種腐蝕性氣體。這是因為化學也是關于電子如何分布的。

事實上,電子絕對不是一個靜態的實體,它們在原子核周圍聚集在軌道區域,有點像蜜蜂在蜂巢周圍。所以化學也是關于一個原子中所有可用的電子是如何分布在它所有的軌道上的。

原子內部沒有引力,它的所有成分都是由靜電力結合在一起的,在靜電力中電子是負電粒子,質子是正電粒子。然而,電子可以從原子中剝離出來,當這種情況發生時,原子將帶一個正電荷,因為它將暫時比電子擁有更多的質子,它也將被稱為“離子”。這也是為什么原子中的質子數非常重要,并決定著它的性質。反過來,質子也不那么容易移動,如果你想把它們從原子核中挖出來,你需要很大的能量,最終你會把原子變成另外一種元素。

原子中還有另一種粒子,它的質量和質子差不多,但不帶任何電荷,我們稱之為中子。一般來說,較重的原子會有更多的中子,所以當我們在碳、氧和氮中中子和質子的比例幾乎相同時,例如,鉛中的中子相對于它的質子會多出40%。然而,有時即使是相同元素的原子也會有不同數量的中子,例如:

  1. 氧氣可以有7或8或9或10個中子和8個質子
  2. 氫可以有0或1或2個中子,但通常99.99%的氫原子沒有中子。當氫有中子時,它被稱為重氫或氘。

這些化學常識可能你已經很清楚了,但是我們宇宙的造水造水之旅和這些密切相關。

宇宙的造水之旅

  • 創世之初

宇宙中所有的物質都聚集在一個體積很小很小,質量密度無限高的一個點上。隨后宇宙發生了大爆炸。今天,我們只看到一個曾經是宇宙火球的模糊而冰冷的遺跡。大爆炸后的百萬分之一秒標志了時間和宇宙的誕生。有了它們,我們得到了1萬億攝氏度的溫度的質子和電子的宇宙湯。為了讓湯更辣,湯里還加入了中子和中微子,并在x射線湯里燉。然而,這個溫度實在太高了,電子和質子無法相互牢牢地吸引,所以在一段時間內什么也沒有發生。所以我們不得不等上100秒,溫度才開始下降到30億度左右,剛好足夠讓粒子之間發生更強的相互作用。例如,由于質子和中子之間的作用力非常強,它們立即開始結合,并開始形成較重的元素。在4000攝氏度時,質子可以與電子結合,開始形成氫原子。

  • 制造原子

如果只是為了大爆炸,我們會有一個非常短的元素周期表,由非常小的元素列表組成。然而,在這片宇宙氣體云中,有些區域的密度略大于其他區域。這種不均勻性造成了一個極小的引力,這個引力逐漸變得更強,并開始將物質凝聚成致密的團塊,于是引力就誕生了。

隨著時間的推移,引力變得越來越強,它的拉力導致物體再次升溫,直到它開始燃燒。今天我們稱這些火球為“星星”。這些是真正的創造引擎,宇宙中負責制造和轉化元素的煉金術士。

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事實上,在熾熱的恒星中心,氫原子核與較重的元素融合,推動了一個稱為核聚變地發生。然而,元素的質量不是整個氫的原子量的倍數,這是因為同位素的元素作為一個混合存在,還因為一小部分質量花釋放巨大的能量,失蹤的質量可以使用著名的計算公式:E = mc ^ 2。

在這個階段,這顆恒星正在燃燒氦來為其原子制造活動提供燃料。所以原子核融合形成氧、碳等..,恒星的大小也決定了它的命運,事實上,大恒星以一種非凡的方式結束了它們的生命,伴隨著一聲巨響。在某個階段,它們會變成超新星并爆炸。很明顯,如此巨大的能量可以制造出更多的元素,比如釷和鈾。

綜上所述,大爆炸觸發了元素的形成,形成的三種最常見的元素按豐度順序排列:氦、氫氣和氧氣。

考慮到氦是一種宇宙孤獨者,一種不活躍的元素,氫和氧這種宇宙中最受歡迎的活躍元素的結合產生了像水這樣特別的東西。

所以水是兩種不可思議的宇宙創造的結果:

  • 制造氫湯的大爆炸
  • 以及將氫轉化成許多其他元素的恒星煉金術

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水!

顯然古希臘人知道這一點!他們猜測我們的星球起源于混沌。從詞源上看,chaos意為“氣體”。說到氣體,今天我們知道我們星球的大氣層在形成時是完全不同的。事實上,在生命起源前的地球上,我們有大量的氣體,如氖、氬和氪,這些氣體在化學上是無反應的,因此我們本以為它們會一直存在于我們的星球上。但是,我們必須考慮到,我們的星球表面上并不完全是一個免受撞擊的地方。

事實上,很有可能我們星球上被大量的小天體撞擊,其撞擊可能造成了一場全球性的災難。科學家們認為,地球甚至可能與火星大小的天體相撞。這次撞擊和釋放的巨大能量,大到足以把所有的大氣層都燒光,讓我們的星球在數百萬年的時間里成為一個光禿禿的巖漿球。順便說一下,這次撞擊也可能削掉了我們星球的一大塊,形成了月球。

45億年前,我們的星球開始冷卻,所有的元素開始凝結。顯然,最重的元素傾向于下沉到行星的核心,而比較輕的元素形成了巖石外殼。巖漿還溶解了許多化合物,在一個稱為脫氣的過程中釋放蒸汽。由于地球的重力場不夠強,不足以保留一些比較輕的氣體,像氫這樣的輕元素散失到太空,即使在今天,我們的星球仍然在不斷地失去水蒸汽和氫,但速度非常緩慢。

在上層大氣中發生著光解的過程,在這個過程中來自太陽的紫外線把水分解成氧和氫。隨著氫進入太空。自從我們的星球形成以來,由于光解作用,我們只損失了0.2%的水資源儲備。

對我們的星球來說,現在是潮濕的時代,天空中有大量的水蒸汽。當地球的逐漸冷卻,水蒸氣凝結,我們的開始了一場持續降雨,讓整個地球表面被海洋覆蓋。圣經上說這一定是一場全球性的洪水。為生命的出現創造了條件。

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