[科普中国]-介稳状态

介稳状态又称亚稳状态，简称亚稳态。通常指物质（包括原子、离子、自由基、化合物等各种化学物种）在某种条件下，介于稳定和不稳定之间的一种化学状态。

基本定义介稳状态(Metastable state) 又称亚稳状态。当温度、压力和其他决定体系状态的因素稍微离开其真正平衡数值时，在某种条件下，体系仍可具有一定的稳定性，此时体系所处的状态称为介稳状态。如不与冰接触的过冷(稍低于水的冰点)水，不与纯溶质接触的“过饱和溶液”等，都处于介稳状态。1

产生原理由于体系比表面增大所引起的饱和蒸气压升高、晶体的溶解度增加等一系列表面现象，只有在颗粒半径很小时，才能达到可以觉察的程度。在通常情况下，这些表面现象是完全可以忽略不计的。但在蒸气的冷凝、液体的凝固和溶液的结晶等过程中，由于最初生成新相的颗粒是极微小的，其比表面和表面吉氏函数都很大，体系处于不稳定状态。因此，在体系中产生一个新相是比较困难的。由于新相难以生成，因此引起各种过饱和现象。例如，蒸气的过饱和、液体的过冷或过热以及溶液的过饱和等现象。2

分类在科学研究和日常生活中，都会遇到许多处于亚稳状态的过饱和现象，如过饱和蒸气、过热液体、过冷液体和过饱和溶液等。3

过饱和蒸气在高空中如果没有灰尘，水蒸气可达到相当高的过饱和程度而不致凝结成水。此时高空中的水蒸气压力虽然对水平液面的水来说已经是过饱和状态，但对将要形成的微小水滴来说则尚未饱和，小水滴难以形成。过饱和蒸气的化学势虽比同温度的平面液体的高，但比欲生成的半径很小的小液滴的化学势低，故能稳定存在，处于亚稳状态。当蒸气中有灰尘存在或容器的内表面粗糙时，这些物质可以成为蒸气的凝结中心，使液滴核心易于生成及长大，在蒸气的过饱和程度较小的情况下，蒸气就可开始凝结。人工增雨的原理就是当云层中的水蒸气达到饱和或过饱和的状态时，在云层中用飞机喷撒微小的氯化银颗粒，此时氯化银颗粒就成为水的凝结中心，使新相(水滴)生成时所需要的过饱和程度大大降低，云层中的水蒸气就容易凝结成水滴而落向大地3。

过热液体在表面光洁的容器中加热纯净的液体，如果在液体中没有可提供新相种子(气泡)的物质存在时，当温度升至沸点时液体将难以沸腾。这主要是因为液体在沸腾时，不仅在液体表面上进行气化，而且在液体内部要自动地生成极微小的气泡(新相)。但由于弯曲液面的附加压力，使气泡难以生成3。

过冷液体在恒定的外压下冷却液体，若温度低于该压力下的凝固点仍不发生凝结，这种液体就称为过冷液体。产生过冷现象是因为液体凝固时刚出现的固体必然是微小晶体，它的饱和蒸气压大于同温度下一般晶体的饱和蒸气压，因而新相微小晶体的熔点低于普通晶体的熔点。在正常凝固点Tf时，液体的饱和蒸气压或化学势等于大块晶体的饱和蒸气压或化学势，但小于微小晶体的饱和蒸气压或化学势，故微小晶体不可能存在，凝固不能发生。温度下降时，液体与固体的蒸气压都减小，但固体减小得更多。在温度降低为Tf‘时，微小晶体与液体的蒸气压相等，微小晶体就能够产生，凝固就能发生。温度为Tf-Tf‘之间的过冷液体就处于亚稳状态。过冷液体也很常见，很纯的水冷到-40℃仍可呈液态而不结冰3。

过饱和溶液将某固体的不饱和溶液不断加热蒸发(或降低温度)，当达到饱和溶液浓度时，固体仍没结晶出来，这就是过饱和现象。微小晶体的溶解度大于正常溶解度，如有一杯热溶液，任其自然冷却，当温度降到饱和点时，本应有晶体开始析出，但因刚凝成的晶粒十分微细，普通晶体已达饱和溶液，微小晶体的溶解度较大，还远未饱和，此时，微小的晶粒即使出现，也会立即消失，导致溶液出现过饱和状态。

过饱和溶液处于亚稳状态，只要稍受外界干扰，如加入晶种，加以搅拌，或摩擦容器壁等都能促进新相种子的生成，使晶体尽快析出。在结晶操作中，如过饱和程度太大，生成的晶体就很细小，不利于过滤和洗涤。为获得大颗粒晶体，可在过饱和程度不太大时投入品种。从溶液中结晶出来的晶体往往大小不均，此时溶液对小晶体是不饱和的，对大晶体是过饱和的，采用延长时间的方法可使微小晶体不断溶解而消失，大晶体则不断长大，粒子逐渐趋向均匀，称为陈化3。

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学