在自然界中，我们可以看到，水的形式可以有三种，固态的冰、液态的水、气态的气体。

固态冰

水的组成元素是氢和氧，在不同的温度条件中，这三种状态可以相互转化。

比如当温度达到0℃时，液态水就会逐渐变成固态冰，当温度不断增加时，水就会逐渐变成气态水蒸气，当水蒸气升入空中后，受到低温影响，或者体积被压缩，就会逐渐液化成雨滴降落。

而实际上，科学家发现，任何一种物质都应该存在一个临界点，当它处于这个临界区域时，就会变成超临界流体状态，水也是如此。

三种状态的转化

接下来，我们就来了解一下，深海中被发现的“第四种水”是什么？原来水并非只有固态、液态和气态。

超临界流体

要了解“第四种水”，我们就得先搞清楚，超临界流体是什么？

液体、固体和气体是物质的基本相，就如前面所说，它们之间存在一个临界点。

当物质的温度和压力都高于临界点时，此时气体和液体的性质会十分相似，随后便会达到一个均匀的流体现象。

超临界流体

超临界流体的特点

我们可以想象它们是缓慢运动的气体，可以从一个多孔的固体中流出，看上去既可以像液体一样流动，又可以如气体般发生泻流。

这就是超临界流体具备的特点，具有可压缩性，其密度一般介于0.1-1.0g/ml，此时的密度会随着压力或温度的较小变化，而发生更大的变化。

所以处于这一状态的物体，有着极强的可塑性。

水不止3种形态

正是由于超临界流体还没有表面张力，所以我们只需要稍微调整一下它的压力和密度，就可以使其性质和状态更偏向液体或气体了。

在自然界，我们已经发现了很多具有超临界流体的物质。

自然环境下的超临界流体

比如我们熟知的沥青，从外表上看，它属于固体，但是1927年，澳大利亚科学家帕内尔进行滴落实验时，就让学生了解到它具有一定的流动性。

沥青滴落

所以它既不是固体也不是液体，而属于非完全晶体，只不过它的滴落速度尤其缓慢，人们经常将其看作固体也不是没有道理。

严格来说，超临界流体应该是较稳定地处于单相相区。

它虽然不属于其他三种相中的任何一个，但是又在三相种接近某一项，因此我们可以将其成为“第四相”。

超临界水的发现

而处于深海中的超临界水，就是水在临界点区域呈现的状态。

物质的四种状态

2008年，德国科学家正在对大西洋中部山脊的热液喷口进行考察。

我们知道，水的临界温度为374.15℃，临界压力为22.05MPa。

而这里的水温已经达到464℃，是地球上水温最高的地方。

其明显高于临界温度，此时不管该地的压力有多大，气体都不可能液化。

所以参与考察的安德里亚认为，这是深海中的第四种水，是我们在自然状态下，第一次观测到的超临界水。

黑烟囱一样的热液喷口

此前基于对超临界流体研究时，科学家就曾在实验室获得过超临界水。

所以很早之前，人们就已经了解到超临界水的特性，并试图加以利用。

超临界水的特点

我们知道，位于水分子之间的氢键，决定了大部分水的性质。

一般来说，如果温度升高，就会快速降低氢键的数量，由此破坏水在室温下存在的氧四方有序结构。

但当它属于超临界水的时候，氢键就出现了特殊的性质，不管温度再高，它都不会消失。

水的构成

科学家对此进行研究，它们发现在临界温度时，饱和水蒸气的氢键增加值，和处于液态水的氢键减少值相等，此时液态水中的氢键占总量的17%左右。

随后，科学家又发现了超临界水的其他特点。

第一，比如大家知道“水火不相容”这句俗语吧，但如果是在超临界水中，这一点就不成立了，因为它可以让很多物质在其中燃烧，产生火焰，甚至还可以将很多物质溶解。

常态下的水火不容

第二，超临界水具有很强的反应活性，以及强大的氧化能力，甚至比高锰酸钾还要强。

一般只需要将需要处理的物质放入超临界水中，然后向其中加入氧和过氧化氢，随后这些物质很快就会被氧化和水解。

第三，超临界水具有强腐蚀性，它几乎可以将所有金属都腐蚀，包括黄金，其腐蚀强度，比王水还要厉害。

第四，超临界水还具有极强的催化能力，所以物质在其中的化学反应会变得极快，几乎是在其他状态下的100倍。

王水

超临界水的作用

于是根据超临界水的特点，我们完全可以将其充分利用起来。

目前，我们对超临界水，可以应用于制作反应容器、预热器、冷却装置等等。

超临界水在化学反应中，既可以作为反应介质，又可以直接参与反应。

通过改变温度和压力，可以使得超临界水操控反应环境，协调反应速率、化学平衡等，所以它可以作为一种良好的溶剂来使用。

超临界水

根据前面提到的超强反应活性，我们可以将其应用于化学反应中，使得物质能够反应得更彻底。

科学家经过实验证明，超临界水可以在不添加催化剂的条件下，进行酸碱自催化反应，也就是说可以直接充当酸碱催化反应的介质。

因为当接近临界点时，水中的离子积已经比常态水增加了差不多3个数量级。

于是我们完全可以将超临界水用于水解反应、脱水反应和水合反应。

超流体萃取过程

如果未来这一技术得到使用，可以有效减少化学反应中产生的杂质，因为在超临界水状态下，无机物质几乎不能溶解，而有机物质却几乎被完全溶解。

利用超临界水去除杂质

利用这一现象，我们可以将其发展为超临界水氧化技术（SCWO）。

在将垃圾进行填埋和堆放的过程中，有机物会分解出水，并其中含有的游离水和降雨、径流和地下渗水，会极大地污染周边的水资源。

超临界水氧化技术

因此此时我们就可以将超临界水作为垃圾过滤液，减少这些废水的排放。

此外在污泥中，也存在很多有机物、氧化剂和水，使用超临界水就可以将三者形成均一的相。

由此就可以克服相间的物质传输阻力，最终在短时间内彻底破坏污泥中的有机成分，将污泥变废为宝。

另外在其他废弃、废水和固体废弃物中，应用超临界水也可以将其中含有的各种有毒化学物质清除掉。

废水

这样不仅可以增强化学物质的安全性，还可以有效减少附加污染物。

不过现在这一技术还有一些问题，需要我们重点考虑。

因为我们前面也讲到，超临界水具有很强的腐蚀性，所以在我们在使用它的过程中，如何制造具有强大抗腐蚀能力的材料就很重要。

并且，虽然水的成本不高，但是要应用这一技术，就需要在高温、高压和高含氧量的环境下进行。

我们需要高昂的经济投入，才能对这一技术进行进一步的研究和开发。

国内首台城市污泥SCWO示范装置

现在，科学家们对自然环境下的超临界水还在继续研究。

由于热液喷口的高温高压，使得钻头几乎在靠近它时就已经融化，所以至今我们都没有办法开采超临界水的样本。

不过我们相信，随着技术的进步和研究的深入，我们或许可以利用超临界水创造一场新的技术革新，最终将其应用到实际生活中。