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【为何坚硬玻璃放入水中能用剪刀剪出形状】找块玻璃再拿把剪刀,想剪出形状几乎不可能,甚至剪碎都费劲。可端来一盆水,把玻璃放水里再剪,出乎意料的是,玻璃没崩裂也没碎渣,竟能剪出规则形状。为啥同样的剪刀,在空气和水中剪玻璃差别这么大?
要弄明白这事儿,得从玻璃的组成说起。以石英玻璃为例,主要成分是二氧化硅,硅和氧形成四面体结构,四个氧原子包着一个硅原子,由硅氧共价键紧密连接。但四面体二氧化硅有个特点,容易受水中氢氧根的氢核攻击,硅原子更易被氢氧根吸引,硅氧共价键就被打断,这就是玻璃的水解。
水下剪玻璃时,把玻璃剪到一定程度,水就会“帮忙”打断共价键,切割玻璃所需能量减少,二氧化硅分子轻松拆开。简单说,氢氧根破坏了玻璃分子稳固的结构,让硅原子和氧原子断裂。所以在水下剪玻璃时,水会让玻璃从内部脆化,裁剪就轻松了。
就像玻璃没入水时,分子间关系和谐,手拉手很稳固。放入水里后,水分子成了“第三者”,破坏了它们的关系,玻璃就容易被裁剪了。
这个化学原理早应用在实际生活中。玻璃工人切割玻璃时,会在切割刀划过的玻璃面上沾水,这样折断玻璃更轻松,因为水降低了裁剪所需外力,还能让裂口更易控制。去玻璃店配眼镜时,工作人员会向镜片不停喷水,不仅是冲玻璃渣,也是为了让玻璃更易打磨。
科学家还利用这一原理制造了水刀,连最坚硬的金刚石遇到它都“认怂”。那为啥洗杯子或喝水时,玻璃不会破碎呢?因为完好的玻璃器皿没有裂痕,氢氧根找不到攻击的弱点。而且在室温环境下,水里的氢氧根相对较少,完好玻璃被水解的速度很慢。有数据显示,把二氧化硅玻璃丢在pH值为8以下的溶液中,一年才水解约十纳米。但如果玻璃容器有细小裂痕,或经常盛放碱性高温液体,水解速度就会明显加快。用久的玻璃杯表面不清透,有层洗不掉的白雾,就是水解等腐蚀作用留下的痕迹。
不仅是二氧化硅,硅单质也容易受水和碱性液体影响,