[科普中國(guó)]-介穩(wěn)狀態(tài)

介穩(wěn)狀態(tài)又稱亞穩(wěn)狀態(tài)，簡(jiǎn)稱亞穩(wěn)態(tài)。通常指物質(zhì)（包括原子、離子、自由基、化合物等各種化學(xué)物種）在某種條件下，介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間的一種化學(xué)狀態(tài)。

基本定義介穩(wěn)狀態(tài)(Metastable state) 又稱亞穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)溫度、壓力和其他決定體系狀態(tài)的因素稍微離開(kāi)其真正平衡數(shù)值時(shí)，在某種條件下，體系仍可具有一定的穩(wěn)定性，此時(shí)體系所處的狀態(tài)稱為介穩(wěn)狀態(tài)。如不與冰接觸的過(guò)冷(稍低于水的冰點(diǎn))水，不與純?nèi)苜|(zhì)接觸的“過(guò)飽和溶液”等，都處于介穩(wěn)狀態(tài)。1

產(chǎn)生原理由于體系比表面增大所引起的飽和蒸氣壓升高、晶體的溶解度增加等一系列表面現(xiàn)象，只有在顆粒半徑很小時(shí)，才能達(dá)到可以覺(jué)察的程度。在通常情況下，這些表面現(xiàn)象是完全可以忽略不計(jì)的。但在蒸氣的冷凝、液體的凝固和溶液的結(jié)晶等過(guò)程中，由于最初生成新相的顆粒是極微小的，其比表面和表面吉氏函數(shù)都很大，體系處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在體系中產(chǎn)生一個(gè)新相是比較困難的。由于新相難以生成，因此引起各種過(guò)飽和現(xiàn)象。例如，蒸氣的過(guò)飽和、液體的過(guò)冷或過(guò)熱以及溶液的過(guò)飽和等現(xiàn)象。2

分類在科學(xué)研究和日常生活中，都會(huì)遇到許多處于亞穩(wěn)狀態(tài)的過(guò)飽和現(xiàn)象，如過(guò)飽和蒸氣、過(guò)熱液體、過(guò)冷液體和過(guò)飽和溶液等。3

過(guò)飽和蒸氣在高空中如果沒(méi)有灰塵，水蒸氣可達(dá)到相當(dāng)高的過(guò)飽和程度而不致凝結(jié)成水。此時(shí)高空中的水蒸氣壓力雖然對(duì)水平液面的水來(lái)說(shuō)已經(jīng)是過(guò)飽和狀態(tài)，但對(duì)將要形成的微小水滴來(lái)說(shuō)則尚未飽和，小水滴難以形成。過(guò)飽和蒸氣的化學(xué)勢(shì)雖比同溫度的平面液體的高，但比欲生成的半徑很小的小液滴的化學(xué)勢(shì)低，故能穩(wěn)定存在，處于亞穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)蒸氣中有灰塵存在或容器的內(nèi)表面粗糙時(shí)，這些物質(zhì)可以成為蒸氣的凝結(jié)中心，使液滴核心易于生成及長(zhǎng)大，在蒸氣的過(guò)飽和程度較小的情況下，蒸氣就可開(kāi)始凝結(jié)。人工增雨的原理就是當(dāng)云層中的水蒸氣達(dá)到飽和或過(guò)飽和的狀態(tài)時(shí)，在云層中用飛機(jī)噴撒微小的氯化銀顆粒，此時(shí)氯化銀顆粒就成為水的凝結(jié)中心，使新相(水滴)生成時(shí)所需要的過(guò)飽和程度大大降低，云層中的水蒸氣就容易凝結(jié)成水滴而落向大地3。

過(guò)熱液體在表面光潔的容器中加熱純凈的液體，如果在液體中沒(méi)有可提供新相種子(氣泡)的物質(zhì)存在時(shí)，當(dāng)溫度升至沸點(diǎn)時(shí)液體將難以沸騰。這主要是因?yàn)橐后w在沸騰時(shí)，不僅在液體表面上進(jìn)行氣化，而且在液體內(nèi)部要自動(dòng)地生成極微小的氣泡(新相)。但由于彎曲液面的附加壓力，使氣泡難以生成3。

過(guò)冷液體在恒定的外壓下冷卻液體，若溫度低于該壓力下的凝固點(diǎn)仍不發(fā)生凝結(jié)，這種液體就稱為過(guò)冷液體。產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象是因?yàn)橐后w凝固時(shí)剛出現(xiàn)的固體必然是微小晶體，它的飽和蒸氣壓大于同溫度下一般晶體的飽和蒸氣壓，因而新相微小晶體的熔點(diǎn)低于普通晶體的熔點(diǎn)。在正常凝固點(diǎn)Tf時(shí)，液體的飽和蒸氣壓或化學(xué)勢(shì)等于大塊晶體的飽和蒸氣壓或化學(xué)勢(shì)，但小于微小晶體的飽和蒸氣壓或化學(xué)勢(shì)，故微小晶體不可能存在，凝固不能發(fā)生。溫度下降時(shí)，液體與固體的蒸氣壓都減小，但固體減小得更多。在溫度降低為T(mén)f‘時(shí)，微小晶體與液體的蒸氣壓相等，微小晶體就能夠產(chǎn)生，凝固就能發(fā)生。溫度為T(mén)f-Tf‘之間的過(guò)冷液體就處于亞穩(wěn)狀態(tài)。過(guò)冷液體也很常見(jiàn)，很純的水冷到-40℃仍可呈液態(tài)而不結(jié)冰3。

過(guò)飽和溶液將某固體的不飽和溶液不斷加熱蒸發(fā)(或降低溫度)，當(dāng)達(dá)到飽和溶液濃度時(shí)，固體仍沒(méi)結(jié)晶出來(lái)，這就是過(guò)飽和現(xiàn)象。微小晶體的溶解度大于正常溶解度，如有一杯熱溶液，任其自然冷卻，當(dāng)溫度降到飽和點(diǎn)時(shí)，本應(yīng)有晶體開(kāi)始析出，但因剛凝成的晶粒十分微細(xì)，普通晶體已達(dá)飽和溶液，微小晶體的溶解度較大，還遠(yuǎn)未飽和，此時(shí)，微小的晶粒即使出現(xiàn)，也會(huì)立即消失，導(dǎo)致溶液出現(xiàn)過(guò)飽和狀態(tài)。

過(guò)飽和溶液處于亞穩(wěn)狀態(tài)，只要稍受外界干擾，如加入晶種，加以攪拌，或摩擦容器壁等都能促進(jìn)新相種子的生成，使晶體盡快析出。在結(jié)晶操作中，如過(guò)飽和程度太大，生成的晶體就很細(xì)小，不利于過(guò)濾和洗滌。為獲得大顆粒晶體，可在過(guò)飽和程度不太大時(shí)投入品種。從溶液中結(jié)晶出來(lái)的晶體往往大小不均，此時(shí)溶液對(duì)小晶體是不飽和的，對(duì)大晶體是過(guò)飽和的，采用延長(zhǎng)時(shí)間的方法可使微小晶體不斷溶解而消失，大晶體則不斷長(zhǎng)大，粒子逐漸趨向均勻，稱為陳化3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

方正 - 副教授 - 江南大學(xué)