科学汇 | 钱报成长营走进水博馆,多少个水分子才算一滴水?

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钱江晚报·小时新闻记者 陈素萍

图片来源:视觉中国

转眼,一周又要过去了。但即将过去的3月22日至28日这一星期,可是有“名字”的:第三十四届“中国水周”。同时,3月22日,本周一还是第二十九届“世界水日”。

在日常生活中,水是再普通不过的物质了。但熟悉的东西,人们却未必真正地了解。

上周日,我们钱报“成长营”开展了一次线下活动。由钱江晚报、浙江同济科技职业学院、中国水利博物馆联合发起,22组亲子家庭走进中国水利博物馆,参加了主题为“树节水意识,学水利知识”世界水日活动。

活动中,家长和孩子们参加了“亲水课堂”、中国水利发展史、水质监测实验、节水普法知识竞答四个子活动,以这样的方式认识水。白马湖小学一年级的何弈璁说:“我学到了地球上有71%都是水,但淡水很少,所以我们要节约用水。”

小水滴,大世界!今天,结合这次线下活动,我们邀请了活动合作方全国水利职业教育示范院校、全国文明单位浙江同济科技职业学院的曾洪学老师、张晨辰老师和顾鹤南博士,结合他们在教学中对水资源、水环境、水文化以及水利工程的深入研究,一起来聊聊关于水的那些事儿。

一滴水至少由21个水分子组成

初中化学课上,老师们讲过,水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。听上去,水的分子结构似乎很简单。可要在显微镜下真正看到水分子的结构,并非易事。

在化学元素周期表上排第一的氢,它的质量和尺寸都非常小,就像是一个“隐形”的原子一样,想在显微镜下捕捉到它并为其成像非常困难。

“水的结构如何”,曾被《科学》杂志列为本世纪125个最具挑战性的科学问题之一。现在,科学团队已经可以在实验室里观测并拍摄到单个水分子的内部结构,能够看到氢原子和氧原子在水分子里是如何排列的。

我们的世界充斥着从“量变到质变”涌现出的特性。古希腊哲学家欧布里德在公元前4世纪提出了一个沙堆悖论:如果有一堆沙土,拿走一粒沙子,剩余的还是一堆沙土;可是如果一直不停地拿走,到最后只剩下一粒沙子时,它还是一堆沙土吗?

同样的问题也可以用来追问我们的生命之源——水。一滴水大约为0.05毫升,约10万亿亿个水分子。半滴水0.025毫升,5万亿亿个水分子。那么,半滴水还算一个水滴么?如果半滴水算,那半滴水的半滴呢?如此细分下去,终点将是一个水分子。那么,一个水分子能算是一滴水么?如果不算,那最少要多少个水分子才可称为一滴水?

2020年12月,发表在英国皇家化学会旗舰期刊《化学科学》上的一项研究,报告了答案:米兰理工大学的科学家发现,21个水分子组成的分子团,与宏观的一滴水的光谱基本吻合。也就是说,最少需要21个水分子才可以组成一滴水。

21个水分子组成的纳米尺度下的一滴水,在一定程度上具备宏观上一杯水的特征。

从极小到极大,现代科学关注自然各个尺度的现象。一方面,科学家不断将研究目标缩小,小到原子核内部的质子、夸克;另一方面,也不断将研究目标放大,大到整个星系、宇宙。而在这小和大的中间,存在许多跨尺度的有趣现象。

线下活动中,我们带领小朋友们进行了水质监测实验,小朋友们和实验员一起完成了pH、矿物质、余氯等水质指标的监测,通过亲手参与实验学习判断河流水质健康的方法。

对未知世界的强烈好奇,推动着科研领域不断探索新知。希望同学们把好奇的种子更多地播撒进心田,等待以后发芽结果。

地球不缺水,但是人类很缺水

1993年1月18日第四十七届联合国大会作出决议,确定每年的3月22日为“世界水日”。

为什么要节约用水?水是一切生命赖以生存的重要资源,但是,一泓清水,用之不觉、失之难存。

地球表面有百分之七十一的面积被水所覆盖,是一个名副其实的“水球”。但在全球水资源中,人类真正能够利用的淡水量,仅占地球总水量的百分之零点二六。同时,水资源是受全球气候变化影响最直接和最重要的领域。全球变暖将使地球上数十亿人口面临水和食物短缺。

当今世界,每3个人中就有1人无法获得安全饮用水。我国淡水资源总量约为两万八千亿立方米,占全球水资源的6%。但是,我国人均水资源量却仅为世界平均水平的1/4,是全球人均水资源非常贫乏的国家之一。人多水少、水资源时空分布严重不均,河道断流、湖泊萎缩、水质污染、用水供需矛盾突出等问题仍然存在。

现如今,用水需求日益增长,水资源的过度开采和污染,带来了一系列的生态问题。地表水的过量开采造成了“有河皆干,有水皆污”的局面,而部分地区的地下水过量开采甚至导致了“地下水漏斗区”的形成。通常,地下水的水位线大概在地面以下三到五米,但我国部分地区地下水位线逐年下降,少部分地区达到了在地面三十到五十米以下。对于这些现象,我们如果坐视任由其进一步发展,不仅将影响人类的发展,也将影响生态、导致水荒或产生严重的地质灾害,影响人类和其他物种的生存。

人类的文明起源于河流。从古至今,人们把家建在河流的两岸,方便洗衣、煮饭、种田。水在养育人们的同时,也会带来灾难,有的地方会发洪水,有的地方却很干旱。为了防御洪水和干旱,就有了水利工程。

从原始社会开始,人们就开始尝试建造一些水利工程。那时,在自家房子下面挖一口井就可以取水了。我们中国古代有许多有智慧的水利工程专家。三过家门而不入的大禹,为国为民,克服重重困难,历经十三年,终于完成了治水大业;战国时期秦国蜀郡太守李冰率众修建了都江堰水利工程,在当时还没有炸药的情况下,他利用热胀冷缩的原理,用火烧岩石再泼水的方法凿通了玉垒山;并根据三角形最稳定的道理用木棍制成三角立方体状的“杩槎”,与竹网结合用于拦截汹涌的江水,将岷江的汩汩清流引入到成都平原,使得昔日的不毛之地变成了“天府之国”。

对于古代人的智慧和毅力,让人感叹不已!

水问题表现在水里,根子在岸上。江河流域水系复杂,致污原因多样,只有摸清污染来源、成因,才能制定科学举措,实现药到病除。治水,还要坚持节水优先,推动用水方式由粗放低效向节约集约转变,进一步提高水资源利用效率。

新中国成立以来,我国建造了世界上装机容量最大的水电站——长江三峡水电站, 还实施了历史上最宏伟的战略性水利工程——“南水北调”:华北平原的引黄灌区提闸放水,黄河水畅流于田间地头,返青拔节的小麦可以痛快地“喝个饱”,为灌浆结实储备足够的能量,田间汩汩的清流让人们看到了丰收的希望;西南山区建成了一座座蓄水池、一条条输水管道,清水跨越群山阻隔流进千家万户;在雄安新区,盈盈清水通过南水北调工程从丹江口水库跋山涉水补充进白洋淀,“华北明珠”神采飞扬……水“滋润”着我们的美好生活,也为经济社会发展提供坚实支撑。

线下活动中,西湖小学四年级的茹一小朋友边听边看,他还将自己对水利工具的观察与思考用图文的方式记录了下来,“今天学到了很多中国水利的智慧!” 

要解决水资源紧缺的问题,节流之外还得开源。比如,海水淡化作为海水资源的开源增量技术,已成为解决全球水资源危机的重要途径。

海水淡化的原理源于大自然。在太阳的照射下,海水蒸发,通过雨雪露云霜雾的形式变为淡水,洒落大地,滋养生灵。仿造大自然的循环蒸发,科学家模拟了自然界中这种淡水生产机理,通过科学技术让海水也变化成洁净、味甘、清冽的纯净之水,流进寻常百姓家。

很多国家如阿联酋、科威特以及北非、欧洲、中北美洲、东南亚等地区部分国家,都在通过海水淡化的方式,向民众提供饮用水。其中,沙特阿拉伯、阿拉伯联合酋长国、马尔代夫等国家,几乎完全依赖于海水淡化水。

为什么说每天要喝八杯水?

感冒?多喝水!头痛?多喝水!心情不好?多喝水……在很多人眼中,多喝水似乎已成为解决一切问题的“完美方案”。

每天我们都要摄入大量的水,可是,你真的知道该怎么喝水吗?最科学的喝水方式是什么?我们又该喝什么样的水?

《中国居民膳食指南(2016)》推荐一般成年人每天至少饮水1500~1700ml。200ml×8杯=1600ml,形象点说,一般成年人每天至少要喝8杯白开水!

如何判断身体是否缺水?身体缺水时,最明显的信号就是:口渴、少尿和尿色加深。但是,如果感觉口渴时才喝水,就有点晚了。

科学数据表明:当人体失水达到体重的2%时,人会感觉到口渴,出现尿少;失水达10%时,人会出现烦躁、全身无力、体温升高、血压下降、皮肤失去弹性等状况;失水超过20%时,人的生命就岌岌可危了!

从我们人体的正常生理条件来看,体内的水平衡受口渴中枢、神经后叶垂体分泌的抗利尿激素、肾脏功能调节和影响。人体水的来源有三大途径:饮水、食物中的水和内生水(新陈代谢)。

最后提醒,每个人情况不一样,婴儿、青少年、成人、老年人……具体每天喝多少水,请根据您自己的身体情况作参考,不要生搬硬套。一些慢性病患者要注意多喝水,比如高尿酸血症、痛风、糖尿病患者多喝水,可在一定程度上减轻病症。

总之,科学喝水总原则:喝白开水、少量多次、主动饮水、晨起睡前。


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