怎么用最正确的姿势说「我酸了」

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怎么用最正确的姿势说「我酸了」

2019 年 3 月 10 日 中科院物理所

柠檬树上柠檬果，柠檬树下只有我。

在这个方便获取各种信息的时代，我们的「羡慕嫉妒恨」来得也更加容易。

为啥别人就有齁甜的爱情、兄弟姐妹的友情，我就只能坐在高高的柠檬山上恰（chi）柠檬。

我酸了

I'm sour?

就像物理学家总是在追求用简洁的物理公式和定理表达和总结规律一样，大家平时也都不喜欢多说话。能用「我酸了」，就绝不会再用「羡慕嫉妒恨」。

柠檬酸分子组成示意图，图中红色为氧原子，黑色为碳原子，白色为氢原子

柠檬里的酸主要为柠檬酸。在很多水果中，我们都能找到柠檬酸，特别是在柑橘类的柠檬和青柠中。对于水果中的酸，其最大的作用是为了保护它自己，这是一种在柑橘类水果中产生的天然防腐剂。比如我们经常吃的食物里面，有的就会添加食品添加剂——山梨酸，以及其有机盐，比如山梨酸钾等。这种食品添加剂对酵母、霉菌和许多真菌等都有抑制作用，从而可以延长食品保质期，让食品保存得更久。

你有试过直接吃柠檬吗?

所以到底什么是酸呢？在一般的课本中的传统定义，当溶液中的氢离子的浓度大于纯水中的氢离子浓度的时候，我们就称其为「酸」。当然在近现代化学中，也有很多其他的定义方法，比如布朗斯特-劳里（Brønsted-Lowry）酸——它定义能提供质子（其实就是氢离子）的是酸，而能接受质子的是碱。又比如路易斯酸，酸在这种时候被定义为电子的接受者，一方面做好防守，保护自己的电子不被剥夺，另一方面提升进攻，提供质子去剥夺别人的电子，这就可以得到更强的酸。这种定义下的酸的范围变得更为广泛，因为此时已经抛弃了氢和氧的存在，只关注其和电子的关系。

知道了什么是酸，我们还要建立一个指标，方便大家比较谁到底更「酸」。这是衡量一个稀溶液的酸碱度的公式。

其中 [H⁺] 指的是溶液中氢离子的浓度。在这种定义下，这么定义的好处显而易见，我们不再用慢慢地数溶液浓度里面的数到底是小数点后几位，方便比较了。比如标准温度和压力下自然电离出来的氢离子浓度为 0.0000001，所以纯水的 pH 值为 7。一杯柠檬汁的 pH 值则为 2.4。所以柠檬真的挺酸的……

不过上式的浓度在非标准情况下要替换成氢离子的活度。比如随着温度的升高，水分子会越来越容易电离，从而氢离子浓度会升高，所以按照稀溶液的计算公式去算纯水的 pH 值，我们会得到 pH < 7。但是它依旧是中性的，氢离子浓度和氢氧根的浓度相同，计算的 pH 值理应依旧为 7。此时氢离子的浓度要用活度来替换，在一般的稀溶液中，氢离子的活度约等于氢离子的浓度。

所以哪天真的酸了，不要慌，不就是身上的氢离子多了一点，浓度高了一点而已嘛。就算全世界都不要你了，还有那么多氢离子陪你呢。

你才酸了

You are sour!

虽然现在都会说自己恰柠檬了，但是有的人是真的「酸」，有的人是假的「酸」。怎么区别他们？我们就需要借助酸碱指示剂的力量。

蓝莓

为了方便使用，我们肯定不能选实验室里才能用的那些玩意。但是在大自然中就有很多天然的酸碱指示剂，比如花青素的颜色就会随着身处环境的酸碱值而有所变化，从酸性环境的红色到紫色，再到碱性环境下的蓝色。加一点醋，就变成了红色；加一点小苏打，就会变成蓝色。葡萄，蓝莓，紫米，紫甘蓝等都有着类似的现象，因为它们都含有花青素。

想要知道别人酸没酸，让 ta 吃碗紫米粥吧。

柠檬山

Lemon Mountain

虽然一个柠檬就已经很酸，但是一颗柠檬真的不够，我还想要一座高高的柠檬山。

如何堆出一座密度最大的柠檬山，在一定空间内堆叠最多的橙子，这就涉及到了最密堆积问题。在几何上，在一定范围内放置最多不重叠的球体的方式被称为最密堆积，这些球体的形状一般是相同的。在三维中有两种常见的最密堆积方式，一种被称为面心立方（fcc），另一种则被称为六方堆积（hcp）。空间的最大利用率为 74.05%。虽然最密堆积在 1611 年就由开普勒提出来，但是直到最近十几年猜得到利用计算机的穷举法证明以及形式化证明。

处于最密堆积状态的橘子。

这个开普勒猜想虽然大家都觉得挺对的，问题的内容一般人也都能看懂，但是就是拿它没什么办法，俨然就是一种贱贱的你来打我呀的欠打模样。

其实在自然界中，比如金属中的原子排布方式，就是遵循最密堆积的方式把原子摞起来的。比如铜就是面心立方最密堆积，而锌就是六方最密堆积的。

左侧为面心立方最密堆积方式，分为三层堆叠。右侧六方堆积，分为两层堆叠。

所以说「我坐在高高的柠檬山上」根本不能体现出你到底有多酸，要想酸得有质量，酸得有水平，酸得高密度，你要说「我坐在高高的最密堆积的柠檬山上」。

柠檬电池

Lemon Battery

真的要说柠檬上有什么用途的话，排除喝一杯柠檬水帮助科学家们醒一下脑这种非正规用法以外，应该就属果蔬电池了。果蔬电池是一个经典的小实验，如果把柠檬、土豆之类的蔬果上分别插上一个铜片和一个锌片，再用导线把两极连接起来，就得到了一个简易的小电池（如果土豆都能做服务器，为啥柠檬不能做柠檬服务器）。

电池是一种化学能存储器，当电池接通时，它会迅速把化学能转换成电能。在大多数电池中都含有较为活泼的金属。这些金属提供电子。我们常见的柠檬电池使用柠檬，锌（或者铁钉），铜钉，电线和电流计构成。当连上导线接通电路，检流计上指针会发生偏转，电子从铁钉流到铜。

柠檬电池工作原理示意图，左侧是锌，右侧为铜

发生氧化的电极是负的，提供电子，称为阳极。

发生还原的电极是正电极，接收电子，称为阴极。

在阳极，金属锌被氧化，并以 Zn²⁺ 离子的形式进入酸性溶液：

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

在铜阴极处，氢离子被还原形成氢分子：

2H⁺ + 2e^- → H2

你现在在用的手机里面的电池，里面最基本的原理也和这个小小的会发点电的柠檬差不多。只不过里面用的是锂离子。从这里看起来「酸」还是有点实际应用价值的，以后出门也就插上电极就能当电池用，再也不用担心手机没电了。

从柠檬电池的原理中我们可以看出来，阴极会不断释放离子进入柠檬。用柠檬做电池的结果之一就是柠檬会变软，酸度降低，生成锌的有机盐。虽然锌是身体必须的微量元素，但是经过试验以后难保不会有其它的有毒金属离子进入柠檬，为了您的生命安全，小编建议您柠檬用完以后就扔了吧……

早些年的时候，曾经有过一个野外求生视频，教你使用柠檬电池来点燃钢丝绒，从而在野外生火。

原视频 [3] 演示使用柠檬电池来点燃生火，然而其他人（上图）并不能重复出来这个现象。

然而事实很残酷，虽然大约两节干电池就能点燃钢丝绒，但是柠檬电池还远远不够。柠檬电池的电压大概为 0.7V 左右，最大只能产生 1 mA 左右的电流。比起普通的干电池，产生的电流脉冲的强度要小了上百倍。由于发热功率和电流与电压的乘积直接相关，所以用干电池很容易就能做出来的燃烧现象，对于柠檬来说并不易得。