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如何使用化學方法走出迷宮？

小知識

迷宮是良多伴侶出格是青少年伴侶十分喜愛的益智游戲 。 簡單的迷宮只需稍加不雅察就可以找出準確的路線 ， 但復雜的迷宮生怕就要經由過程于數學方式進行計較 。 不外今天 ， 筆者要告訴大師 ， 迷宮問題還可以經由過程化學方式來解決 。 你或許感覺這是異想天開？那就來看看化學家是若何做到的吧 。

如何使用化學方法走出迷宮？



（圖片來歷：https://realtheatre.wordpress.com/2013/01/29/behaviour-in-the-maze/）
我們起首用一種名為聚二甲基硅氧烷的高分子材料制當作一個長寬均為1-2厘米 ， 深度為1毫米的迷宮 ， 然后標的目的迷宮中灌入含有氫氧化鉀和2-正己基癸酸的水溶液 。 這一步做好后 ， 我們將一塊在鹽酸溶液中浸泡過的凝膠放在迷宮的出口使之與迷宮中的溶液接觸 ， 然后當即將一些紅色顏料的粉末放在迷宮進口的水面上 。 僅僅大約十秒鐘之后 ， 原本無色的溶液中就呈現了一條紅色的印跡 ， 清楚地標識出了從迷宮進口到出口的準確路徑[1] 。 那么這是怎么回事呢？
如何使用化學方法走出迷宮？



操縱馬倫哥尼效應解決迷宮問題的幾個實例 。 S和E別離暗示迷宮進口（低概況能）和出口（高概況能）[1] 。
當我們把水溶液倒出神宮中后 ， 水和空氣之間就形當作了一個界面 。 在水的內部 ， 每個水分子都被它的火伴包抄著 ， 而界面處的水分子卻不得不面臨“秉性”與本身相差甚遠的空氣分子 。 于是 ， 在水和空氣的界面就呈現了一個額外的能量——概況能 。 事實上 ， 不但是水和空氣的界面 ， 肆意兩種分歧的物質發生接觸時 ， 界面處城市存在概況能 。
既然是額外的能量 ， 那么顯然設法將其降低才有利于系統的不變 。 那么若何做到呢？別忘了水中還添加了氫氧化鉀和2-正己基癸酸 。 這兩種物質在水中一相遇很快就發生化學反映 ， 后者被釀成了2-正己基癸酸鉀 ， 在水中解離當作帶負電的2-正己基癸酸根離子和帶正電的鉀離子 。
鉀離子很快就與水分子打當作一片了 ， 可是2-正己基癸酸根離子卻面對了一個難題：它的一端是對水親和力很強的離子 ， 可是另一端又是極難溶于水的碳鏈 。 一邊想溶于水 ， 另一邊卻想盡量遠離水 ， 雙方妥協的成果為它指示了最該去的處所——空氣和水的界面 。 在這里 ， 親近水的離子可以繼續和水連結接觸 ， 而厭惡水的碳鏈正好可以遠離對方 。 而水分子正好可以不消面臨厭惡的空氣分子了 。 于是 ， 當我們把氫氧化鉀和2-正己基癸酸添加到水中后 ， 水和空氣的界面很快就被2-正己基癸酸根離子占有 ， 這樣一來 ， 水和空氣界面處的概況能就降低了 。
但當我們把一塊含有鹽酸的凝膠放在迷宮出口后 ， 環境就發生了轉變 。 凝膠中的鹽酸（精確說是氫離子和氯離子）很快滲入出來進入水溶液 ， 碰到2-正己基癸酸根離子后 ， 立即把對方“打回真相”——從頭生當作2-正己基癸酸 。 2-正己基癸酸根離子是個水和空氣“兩端通吃”的家伙 ， 可是2-正己基癸酸卻很難溶于水 。 這樣一來 ， 在接近迷宮出口的處所 ， 本來不變存在于水和空氣界面上的2-正己基癸酸根離子不復存在 ， 水從頭與空氣相接觸 ， 這里的概況能是以升高了 。
如何使用化學方法走出迷宮？



在堿性前提下 ， 2-正己基癸酸會被改變當作2-正己基癸酸根離子 ， 后者在酸性前提下又會回到前者
因為迷宮的路徑具有必然的長度 ， 添加到迷宮出口的鹽酸需要一段時候才能擴散到迷宮進口 。 是以在迷宮進口四周的2-正己基癸酸根離子沒有受到較著影響 ， 仍然呆在水和空氣的界面 。 這樣一來 ， 迷宮進口處水和空氣界面的概況能就較著低于出口處的概況能 。 于是迷宮出口處的水分子不干了：進口何處有那么多2-正己基癸酸根離子 ， 分給這邊的兄弟一些吧 ， 好讓我們的概況能也降低一些 。 怎么才能分派平均呢？方式很簡單 ， 讓處在空氣與水界面處的水分子從進口（低概況能）標的目的出口（高概況能）流動 ， 這樣一來界面上的2-正己基癸酸根離子也跟著流動過來 。 與此同時 ， 在接近容器底部的位置 ， 水分子則沿著相反的偏向流動 ， 即從出口流標的目的進口 。 流動的成果是2-正己基癸酸根離子從頭在進口和出口之間平均分布 。 這種因為液體-氣體界面的概況能差別而導致的液體流動被稱為馬倫哥尼效應(Marangoni effect) 。 意大利科學家卡洛·馬倫哥尼最早對其進行系統研究 ， 是以這一現象以他的名字定名[2] 。

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