【摘 要】根据本人实验结果，姆佩巴现象重新定义如下：在同等容器、同等质量、同等的零下冷却环境下（一定范围内），沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水比温度略低的水先结冰。热水先结冰现象的原理是：沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水中，存在大量不稳定的单个H2O分子。这些不稳定的单个H2O分子，在常温环境中会快速结合成不利于结成冰核分子团或被原有氢键不饱和分子团俘获；在零下环境中会快速结合成利于结成冰核分子团-氢键饱和分子团。
【关键词】姆佩巴现象；水分子团；过冷度
技术背景
姆佩巴现象（Mpemba effect），又名姆佩巴效应，指在同等容器、同等质量、同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。姆佩巴现象自提出以来，一直存在大量争议。一方面，大量按照姆佩巴现象定义完成的实验成功与失败参半。另一方面，目前关于姆佩巴现象的解释，没有一种得到广泛认可。本文初步推测了姆佩巴现象产生的原因，判断与水分子团等有关
本人尝试完成了几个实验，成功与失败数量参半。本人根据实验数据和目前被学术界认可的相关知识对姆佩巴现象产生的原理进行了一次大胆的猜想。
1 实验
由于家中老式冰箱性能差，且不稳定。实验一部分利用家中的冰箱完成，另一部分用父亲单位的冰柜完成。
家中实验有多次，中间未受打扰且较为完整的有5个。用父亲单位的冰柜完成的实验有2个。
1.1 家中实验
家中实验工具：老式家用冰箱一台；经过对比校正的同品牌同型号电子温度计2支；相同玻璃杯2支。
冰箱冷冻室温度-8℃左右。
实验一
98℃开水105mL及35℃调温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-8℃的冰箱冷冻室内。电子测温仪探头置于水正中位置见图1。
图1
显示屏置于冰箱外，用胶条固定在冰箱侧壁，见图2图3。
实验过程：出现冰花之前保持持续观测，出现冰花之后半小时再观测一次。
调温水：用两种不同温度的水混合后，再静置5min，而成的水。
实验结果：
图2
图3
（1）98℃开水
从98℃降温到35℃耗时：23min；
从35℃降温到0℃耗时：41min；
从0℃到出现冰花耗时：15min（可能有误差）；
出现冰花后半小时结冰量：接近一半；
总耗时109min。
（2）35℃调温水
从35℃降温到0℃耗时：46min；
这以一类解释几乎没有支持者，不列入以后的分析和讨论。
出现冰花后半小时结冰量：接近一半；
总耗时138min。
福建师范大学胡志刚教授主编的教材《化学课程与教学论》，已经由科学出版社2014年10月出版，2016年1月第五次印刷。该教材是依据我国当前基础教育课程改革的需要，在总结同类教材经验的基础上，根据《普通高中化学课程标准》和《教师教育课程标准(试行)》的相关要求，汲取了我国化学课程与教学论的新成果，为化学教师教育人才培养提出的新要求编写的。
（3）结论：
98℃开水105mL及35℃调温水100mL同时放入-8℃冰箱。98℃开水结冰量接近一半，耗时109min；35℃水结冰量接近一半，耗时138min。
98℃开水先结冰。结果与姆佩巴现象相符。
注：检测温降过程没有开启冰箱，实验数据相对真实。检测出现冰花的过程，由于是不断开启冰箱会有检测误差。
实验二
出现冰花后半小时结冰量：接近一半；
观测过程同实验一。
0℃到出现冰花阶段后称结冰临界阶段。
实验结果：
（1）98℃开水
如图4，利用几何画板进行验证：给定一个锐角A，拖动点B改变三角形的大小，对边与斜边、邻边与斜边的比值不变，即锐角A的正弦值sinA、余弦值cosA均不变；拖动点A改变锐角A的大小，对边与斜边、邻边与斜边的比值均改变，锐角A越大，sinA的值越大，cosA的值越小.
从98℃降温到35℃耗时：23min；
从35℃降温到0℃耗时：41min；
从0℃到出现冰花耗时：15min（可能有误差）；
如果我走了，他们在这个城市里可怎么活？老家的房子已经处理，就算他们可以回去，他们也不懂如何去中介挂上我的房，他们不了解房地产的行情，不会签合同，就算不被人骗，一下子面对几十万的房款，他们也会束手无策。在这个陌生的城市里，他们仅是两个连走路都颤颤巍巍的农村老人。
出现冰花后半小时结冰量：接近一半；
采用SPSS20.0统计软件进行数据分析。计量数据以M(P25，P75)表示，组间比较采用非参数检验；计数数据的组间比较采用χ2检验或Fisher精确检验。采用单因素Cox比例风险回归模型筛选与预后相关的危险因素。采用Kaplan-Meier法绘制不同组别患者的生存曲线并行log-rank检验。P<0.05为差异具有统计学意义。
总耗时109min。
（2）35℃自然降温水
实验五
从35℃降温到0℃耗时：46min；
从0℃到出现冰花耗时：69min（可能有误差）；
98℃开水105mL及35℃自然降温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-8℃的冰箱冷冻室内。电子测温仪探头置于水正中位置，显示屏置于冰箱外，用胶条固定在冰箱侧壁。
例如《猫》这一篇文章，通篇用的都是拟人化的写作方式，把猫这种小动物像人一样写活了。它爱睡觉，无忧无虑，等老鼠的时候又很有耐心，叫唤方式也多变，它可爱淘气又非常勇猛。这篇文章中有很多成语可以供学生学习积累。在语言表达上，总是正反两方面对比着写，猫懒散却又积极，胆小却又勇猛，虽然淘气但又有坚韧的品格。学生可以仿写这篇文章，写小狗、小羊，或者动物园里常见的国宝大熊猫，还有老虎、狮子等，这些动物都有很多特点等着学生去发掘。
总耗时145min。
万：这些故事确实很有意思，看来我们的出国人员确实应该注意在学习专业知识的同时，也注意观察与学习异域文化，从中汲取有益的东西，至少可以与中国文化做些对比.正如古人所云：不识庐山真面目，只缘身在此山中.
实验结果：与实验一的结果基本一致。98℃开水先结冰。结果与姆佩巴现象相符。
唯一不同的是35℃自然降温水从0℃到出现冰花耗时69min，增加了 7min。
肋骨骨折是胸部创伤最严重的表现形式，是仅次于颅脑创伤致死的第二大病因，其死亡率在2%～20%[1]。肋骨骨折的诊断主要靠影像学检查，而骨折的定位和诊治往往涉及到肋骨的分段。为此，临床提出了肋骨的“解剖学分段”，而影像也提出了肋骨的“影像学分段”。我院从2015年CT运行以来便开始总结并提出了“肋骨CT四段法”。本研究通过对肋骨CT分段的应用，以及对各区段肋骨骨折发生率和临床术后诊断符合率的统计分析，来探讨肋骨的CT分段在肋骨骨折诊治中的应用价值。
实验三
55℃调温水100mL及35℃调温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-8℃的冰箱冷冻室内。
2.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量略大于初始温度高的水的结冰量。结果与姆佩巴现象不符。
实验四
75℃调温水100mL及35℃调温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-8℃的冰箱冷冻室内。
2.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量明显大于初始温度高的水的结冰量。结果与姆佩巴现象不符。
无线传感器网络在节点数据融合的应用中，时间同步对整个网络有着重要的影响[10-11]，如何实现节点之间的时间同步和获取节点准确的时钟信息是系统必须解决的关键问题。
75℃持续加热水100mL及35℃调温水100mL分别倒入2支完全相同的玻璃杯中，再置于-4℃的冰箱冷冻室内。
2.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量小于初始温度高的水的结冰量。结果与姆佩巴现象相符。
持续加热水：通过火或微波炉等方式加热一段时间后的水。
1.2 家外实验
家外实验工具：冰柜一台；650g，215X145X25mm冰板2支。冰柜温度-24℃。
1.2.1 实验六
“安兄弟，这是我安排技术部和普适计算部，前几天发布的最新版本WOOHOO系统，你再来看看这个。”说到这儿，他随手点开其中一颗星星，只见眼前空气当中的画面中出现加载程序。
2支冰板分别装入75℃持续加热水600mL及35℃调温水600mL。再置于-24℃的冰柜内。
1.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量大于初始温度高的水的结冰量。
4.2 力竭运动即刻组的AMPK、TSC2含量明显高于其余各组，而mTOR含量则低于其余各组，提示力竭运动中AMPK可能被激活，同时磷酸化TSC2进而抑制mTOR的合成。其与肌纤维类型变化的关系有待进一步研究。
结果与姆佩巴现象不符。
1.2.2 实验七
2支冰板分别装入 98℃开水 600mL及 35℃调温水600mL。再置于-24℃的冰柜内。
1.5h后取出观察，初始温度低的水的结冰量大于初始温度高的水的结冰量。结果与姆佩巴现象不符。
2 现有关于姆佩巴现象的解释
现有关于姆佩巴现象的解释大致可以分为4类。
2.1 质量差异
热水由于蒸发会失去一部分水，质量较少，令热水较容易冷却和结冰。以及热水密度低，同等容积下质量较少，令热水水较容易冷却和结冰。
从0℃到出现冰花耗时：62min（可能有误差）；
教学设计按照“熟读—朗诵—鉴赏—扩写或模仿逐渐递进”的方式开展课堂教学。通过熟读、朗诵唐诗宋词中的名诗名词，体会、感受诗词的韵律美和意象美，通过鉴赏体会诗人、词人的情感，引导学生扩写或模仿写作进一步体会诗词的意向，领会作者的写作技巧。
（3）结论：
2.2 惯性原理
当热水冷却到冷水的初温时，由于惯性原理，它的冷却速率会较快。
⑥《过武连县北柳池安国院，煮泉试日铸、顾渚茶。院有二泉，皆甘寒。传云唐僖宗幸蜀在道不豫，至此饮泉而愈，赐名报国灵泉云》
对流原理和共价键原理均属于这一类。
2.3 溶解物质
热水与冷水中溶解的物质不同，造成2者降温和结冰速率不一致。
溶解气体影响和矿物质影响等均属于这一类。
选购熟肉制品时，应检查外观是否出现“胀包”或破包；不要选择颜色过于鲜艳的肉制品。尽量少吃熟肉制品、加工肉制品。
2.4 其它杂类
氢键和过冷度原理属于这一类。但是没有查到逻辑完整的解释。
3 实验结果分析
设高温水水温T1，低温水水温T2，冷冻环境温度T0。设高温水从T1到T2的降温阶段耗时为H1；从T2到0℃的降温阶段耗时为H2；0℃到出现冰花阶段耗时为H3；结冰阶段耗时为H4。
设低温水从T1到T2的降温阶段耗时为h1；从T2到0℃的降温阶段耗时为h2；0℃到出现冰花阶段耗时为h3；结冰阶段耗时为h4。
自然降温水：由开水在室温下自然降温生成的水。
根据实验数据分析结果如下：
（1）根据实验一及实验二的结果
H2=41minh2=46min；
时间差为5min。
以上数据可以证明惯性原理的确存在，但其产生的降温时间差不大，不足以抵消到H1。对最终结果的影响不大。故，惯性原理类不是姆佩巴现象形成的关键原因。
（2）实验一采用相对同质水进行实验，实验二采用完全同质水
进行实验。对比实验一与实验二，其结果唯有h2不同。
实验一h2=42min；
实验二h2=49min；
时间差为7min。
以上数据可以证明溶解物质对时间的影响的确存在，但其产生的时间差不大，不足以抵消到H2。对最终结果的影响不大。
故，溶解物质类同样不是姆佩巴现象形成的关键原因。
（3）根据实验一及实验二的结果
实验一H3=15minh3=62min；
时间差为47min；
实验二H3=15minh3=69min；
时间差为54min。
以上数据可以证明跨越结冰临界阶段耗时有明显差异，远远超过H1。那么，造成跨越结冰临界阶段耗时差异的原因是姆佩巴现象形成的关键原因。
初步估计和过冷现象有关。
（4）根据实验二的结果。开水与冷水降温结冰过程比较如下：
①H2与h2相差不大；H4与h4基本相同。H3与h3有明显差异。
②结冰临界阶段以前的两个阶段，高温水和低温水降温过程中，容器、质量完全相同。唯一不同的是：热水从T1到T2降温是在-8℃的环境温度下进行的；冷水从T1到T2降温是在常温下进行的。
显然，初始水是开水的情况下，造成跨越结冰临界阶段耗时差异的唯一原因是：水从T1到T2降温过程中的环境温度差异。
那么，热水在高温段降温的低环境温度造成跨越结冰临界阶段耗时大幅降低。
初步估计这里的低环境温度可能是零度以下。
（5）对比实验四和实验五，在其它实验条件相同的情况下，高温水采用持续加热水或是调温水会产生相反的结果。由此可以得出以下结论：水持续加热后到一定温度后，快速进入冰箱，结冰更快。
（6）将实验一、五与实验六、七对比可以发现，在-8℃的环境温度下可以成功的实验，在-24℃的环境温度下全部失败。
显然，过低的环境温度会造成实验失败。
其原因初步估计为：过低的环境温度会造成跨越结冰临界阶段耗时大幅降低，从而造成热水和冷水跨越结冰临界阶段的时间差大幅降低，当这一时间差降低到和H1相当时，姆佩巴现象消失。
（7）从成功的3个实验来看，热水需要具备的条件是：沸腾或接近沸腾的水，以及持续加热水。
（8）综合以上分析，初步确认姆佩巴现象的破解需要从水分子团及水分子团氢键，过冷度等方向进行。
4 目前被学术界认可的相关知识
4.1 水分子团
自然界的水不是以单一水分子（H2O）的形式存在的，而是由若干水分子通过氢键作用而聚合在一起，形成水分子簇，俗称「水分子团」。水分子簇是一种不连续的氢键结构形成的水分子簇合物。它们有多种存在的形式：在冰中、在晶格中以及在液态水中。其中最简单的就是二聚水 （化学式：（H2O）2）。1884年，Whiting首次报导液态水高密度矩阵模型；1933年，Bemal和Fowler提出高低密度下簇状结构；1959年，Pauling提出具有空隙的水分子簇状结构；1957年，Bontron和Alben提出了水的环状结构；2000年以後，提出了水的二十面体结构，即水是由280个水分子组成的。人类目前对自由水中水分子簇的瞭解很少，於2009年，这被科学杂志（Science）认为是未解决的化学问题之一。[1]
实验观察水分子簇需要精密的光谱仪器，例如远红外振动转动隧道光谱。将水分子困在液氦环境中，可以发现六聚体是一个平面环状结构，在气相中是笼状结构，而将液氦换成某些有机物，就会发现它的构象类似於熟悉的环己烷构象。结合红外光谱和质谱进行观测可以发现立方形的结构存在於8到10个水分子的簇合物中。
对於任何自由液态水（即普通意义上的水，而不是数个水分子）中，超分子结构的研究是十分困难的，因为它们存在时间非常短。氢键不断断裂和形成所需时间小於200飞秒。[2]
沸腾水是水和蒸汽的临界状态，以单个的H2O及部分小分子团的形式存在。水蒸汽以单个的H2O的形式存在。
4.2 氢键
水分子间有较强的氢键，氢键增加了水分子间的结合力。氢键的键能比共价键的键能小得多。在温度、压力或磁场等各种外界作用下，水结构会发生变化。氢键的断裂是水结构变化的必要前提。这种变化需要消耗能量。水加热会破坏分子间的氢键。
水蒸气中不存在氢键了。冰中的氢键达到饱和状态。
水从沸腾到结冰的过程中，氢键不是持续增加的过程，而是有一个由低到高，再到低，再到最高的反复过程。
冰的氢键浓度达到最高，达到全饱和。冰开始溶解时，氢键浓度开始降低。随着水温升高，氢键浓度进一步降低。
4.3 过冷现象
每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度。过冷度的大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之冷却速度越慢，过冷度就越小，实际结晶温度就更接近理论结晶温度。
水存在过冷现象。
水的过冷现象与冰核的形成密切相关。
4.4 凝华现象
水的凝华现象是指水蒸气在零下环境中，不经历液态水的过程直接凝结成冰。
5 猜想
人类目前对水分子团的了解尚且不足。要破解姆佩巴现象，只能依靠合理的猜想来解决。
（1）猜想一：假设把水分子团分成2类，一类是利于结成冰核分子团（例如：六聚体），一类是不利于结成冰核分子团。因为冰中的氢键达到饱和状态，故而猜想：利于结成冰核分子团内部水分子的氢键达到饱和，是氢键饱和分子团。那么，不利于结成冰核分子团是氢键不饱和分子团。
常温水中有氢键饱和分子团和氢键不饱和分子团两种分子团。
（2）猜想二：沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水中，存在大量不稳定的单个H2O分子。这些不稳定的单个H2O分子，在常温环境中会结合成不利于结成冰核分子团或被原有不利于结成冰核分子团俘获；在零下环境中会结合成利于结成冰核分子团-氢键饱和分子团。
即，常温下冷却的水中氢键饱和分子团浓度较低。沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水在零下环境中冷却，氢键饱和分子团浓度很高。
（3）猜想三：热水在冷却过程中氢键不饱和分子团含量会减少，水温降到4℃时，水中氢键不饱和分子团全部分解掉。
热水在冷却过程中氢键饱和分子团含量变化不会太大。水温降到4℃以后，水中氢键饱和分子团含量会逐步增加。而且，水温越低，水中氢键饱和分子团含量增加的速率越大。
根据以上猜想可以解释为什么4℃的水密度最大。
（4）猜想四：水中氢键饱和分子团达到一定浓度，是结冰的必要条件。初结冰时，水中的氢键饱和分子团浓度，后称结冰临界浓度。
在一定的大气压下，每一个环境温度值都对应一个结冰临界浓度。环境温度越低，结冰临界浓度越低。
①根据这一猜想，推论出水过冷度的原理是：水在零度时，如果氢键饱和分子团浓度达不到结冰临界浓度。只有持续降温到一定低温，水中氢键饱和分子团浓度达到结冰临界浓度，结冰才开始。
那么，零度时水中氢键饱和分子团浓度越高，其过冷度就越低。
初始水中含有的不稳定的单个H2O分子越多，零下冷却形成的饱和分子团浓度越高，形成的过冷度越小，结冰速度越快。水蒸气全部由不稳定的单个H2O分子构成，过冷度为零，从而出现凝华现象。
②这一猜想同样可以解释为什么延长跨越结冰临界阶段的时间可以降低过冷度。因为在结冰临界阶段，氢键饱和分子团在不断生成，即水中的氢键饱和分子团浓度在持续不断缓慢地升高。当达到结冰临界浓度时，结冰开始。当然，这一过程耗时会非常长。
③这一猜想还可以解释为什么水在跨越结冰临界阶段后，结冰温度会回升到零度。这是因为：结冰一旦开始，冰晶附近的氢键饱和分子团浓度回远远大于零度时的结冰临界浓度。
6 结论
6.1 结论一
从20世纪70年代到现在，人们按照姆佩巴现象定义完成了大量的实验，但这些实验成功与失败参半。其中，2015年上海中学生完成的近100个实验，全部失败。从这些实验结果来看，姆佩巴现象是存在的，但边界条件规定不够准确。从而导致部分实验失败。
根据本人的实验结果，姆佩巴现象重新定义如下：在同等容器、同等质量、同等的一定范围内的零下冷却环境下，沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水比温度略低的水先结冰。
一定范围内的零下冷却环境下是指该温度环境处于零下，且有上下限。冷却环境温度过低，会造成跨越结冰临界阶段耗时大幅降低，从而造成热水和冷水跨越结冰临界阶段的时间差大幅降低，当这一时间差降低到和H1相当时，冷水先结冰。冷却环境温度过高，同样会造成热水和冷水跨越结冰临界阶段的时间差降低，造成冷水先结冰。
6.2 结论二
热水先结冰现象的原理是：沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水中，存在大量不稳定的单个H2O分子。这些不稳定的单个H2O分子，在常温环境中会结合成不利于结成冰核分子团或被原有不利于结成冰核分子团俘获；在零下环境中会结合成利于结成冰核分子团-氢键饱和分子团。
显然，沸腾或接近沸腾的水以及持续加热水在零下环境中，所形成的氢键饱和分子团浓度会很高。当水冷却到零度时，氢键饱和分子团浓度亦会很高。那么，其过冷度就远远小于冷水。其跨越结冰临界阶段耗时也就远远小于冷水。从而使热水先结冰。
7 后续问题
以上结论是建立在猜想基础上的。所以，以上4条猜想需要进一步的实验来证明，而目前的技术还不能完成这些证明实验。因而只能期待在不远的将来可以证明这些猜想的正确与否。
参考文献
[1] So much more to know.Science.2005-07,309(5731)：78-102.
[2] Smith,Jared D.;Christopher D.Cappa;Kevin R.Wilson;Ronald C.Cohen;Phillip L.Geissler;Richard J.Saykally(2005).“Unified description of temperature-dependent hydrogen-bond rearrangements in liquid water”(PDF).Proc.Natl.Acad.Sci.USA 102(40)：14171-14174.
【中图分类号】C962
【文献标识码】A
【文章编号】2095-2066（2019）08-0361-04
收稿日期：2019-7-9
作者简介：陈清瑶（2002-），女，汉族，四川成都人。
标签：氢键论文; 分子论文; 现象论文; 过冷论文; 临界论文; 社会科学总论论文; 人才学论文; 人才管理论文; 《低碳世界》2019年第8期论文; 成都实验外国语学校论文;