水的反常膨脹及其微觀解釋

1、水的反常膨脹及其微觀解釋在一般情況下，當(dāng)物體的溫度升高時(shí)，物體的體積膨脹、密度減小，也就是通常所講的“熱脹冷縮”現(xiàn)象。然而水在由0溫度升高時(shí)，出現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象。人們通過實(shí)驗(yàn)得到了如圖23所示的t曲線，即水的密度隨溫度變化的曲線。由圖可見，在溫度由0上升到4的過程中，水的密度逐漸加大；溫度由4繼續(xù)上升的過程中，水的密度逐漸減??；水在4時(shí)的密度最大。水在0至4的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出“冷脹熱縮”的現(xiàn)象，稱為反常膨脹。水的反常膨脹現(xiàn)象可以用氫鍵、締合水分子理論予以解釋。物質(zhì)的密度由物質(zhì)內(nèi)分子的平均間距決定。對(duì)于水來說，由于水中存在大量單個(gè)水分子，也存在多個(gè)水分子組合在一起的締合水分子，而水分子締合后形成

2、的締合水分子的分子平均間距變大，所以水的密度由水中締合水分子的數(shù)量、締合的單個(gè)水分子個(gè)數(shù)決定。具體地說，水的密度由水分子的締合作用、水分子的熱運(yùn)動(dòng)兩個(gè)因素決定。當(dāng)溫度升高時(shí)，水分子的熱運(yùn)動(dòng)加快、締合作用減弱；當(dāng)溫度降低時(shí)，水分子的熱運(yùn)動(dòng)減慢、締合作用加強(qiáng)。綜合考慮兩個(gè)因素的影響，便可得知水的密度變化規(guī)律。在水中，常溫下有大約50的單個(gè)水分子組合為締合水分子，其中雙分子締合水分子最穩(wěn)定。圖24為雙分子、三分子、多分子締合水分子的示意圖。多個(gè)水分子組合時(shí)，除了呈六角形外（如雪花、窗花），還可能形成如圖25所示的立體形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（屬六方晶系）。每一個(gè)水分子都通過氫鍵，與周圍四個(gè)水分子組合在一起。圖中只

3、畫出了中央一個(gè)水分子同周圍水分子的組合情況。邊緣的四個(gè)水分子也按照同樣的規(guī)律再與其他的水分子組合，形成一個(gè)多分子的締合水分子。由圖可知，締合水分子中，每一個(gè)氧原子周圍都有4個(gè)氫原子，其中兩個(gè)氫原子較近一些，與氧原子之間是共價(jià)鍵，組成水分子；另外兩個(gè)氫原子屬于其他水分子，靠氫鍵與這個(gè)水分子組合在一起?？梢钥闯?，這種多個(gè)分子組合成的締合水分子中的水分于排列得比較松散，分子的間距比較大。由于氫鍵具有一定的方向性，因此在單個(gè)水分子組合為締合水分子后，水的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。一是締合水分子中的各單個(gè)分子排列有序，二是各分子間的距離變大。在液態(tài)水變成固態(tài)水時(shí)，即水凝固成冰、雪、霜時(shí)，呈現(xiàn)出締合水分子的形狀。此

4、時(shí)，水分子的排列比較“松散”，雪、冰的密度比較小。將冰熔化成水，締合水分子中的一些氫鍵斷裂，冰的晶體消失。0的水與0的冰相比，締合水分子中的單個(gè)水分子數(shù)目減少，分子的間距變小、空隙減少，所以0的水比0的冰密度大。用倫琴射線照射0的水，發(fā)現(xiàn)只有15的氫鍵斷裂，水中仍然存在有約85的微小冰晶體（即大的締合水分子）。若繼續(xù)加熱0的水，隨著水溫度的升高，大的締合水分子逐漸瓦解，變?yōu)槿肿泳喓纤肿印㈦p分子締合水分子或單個(gè)水分子。這些小的締合水分子或單個(gè)水分子，受氫鏈的影響較小，可以任意排列和運(yùn)動(dòng)，不必形成如圖24、圖25那樣的“縷空”結(jié)構(gòu)，而且單個(gè)水分子還可以“嵌入”大的締合水分子中間。在水溫升高的過

5、程中，一方面，締合數(shù)小的締合水分子、單個(gè)水分子在水中的比例逐漸加大，水分子的堆集程度（或密集程度）逐漸加大，水的密度也隨之加大。另一方面在這個(gè)過程中，隨著溫度的升高，水分子的運(yùn)動(dòng)速度加快，使得分子的平均距離加大，密度減小。考慮水密度隨溫度變化的規(guī)律時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮兩種因素的影響。在水溫由0升至4的過程中，由締合水分子氫鍵斷裂引起水密度增大的作用，比由分子熱運(yùn)動(dòng)速度加快引起水密度減小的作用更大，所以在這個(gè)過程中，水的密度隨溫度的增高而加大，為反常膨脹。水溫超過4時(shí)，同樣應(yīng)當(dāng)考慮締合水分子中的氫鍵斷裂、水分子運(yùn)動(dòng)速度加快這兩個(gè)因素，綜合分析它們對(duì)水密度的影響。由于在水溫比較高的時(shí)候，水中締合數(shù)大的

6、締合水分子數(shù)目比較小，氫鍵斷裂所造成水密度增加的影響較小，水密度的變化主要受分子熱運(yùn)動(dòng)速度加快的影響，所以在水溫由4繼續(xù)升高的過程中，水的密度隨溫度升高而減小，即呈現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象。在4時(shí)，水中雙分子締合水分子的比例最大，水分子的間距最小，水的密度最大。成語(yǔ)之中有物理冰寒于水標(biāo)準(zhǔn)狀況下，水的最低溫度是0，冰的溫度可以更低，即使是0的冰，因0的冰熔化成0的水時(shí)，要吸收大量的熱，故此身體觸及時(shí)也會(huì)感到更涼。滴水成冰水不斷放熱可以結(jié)冰。雪上加霜雪和霜都是水蒸氣遇冷凝華而形成的。鳥語(yǔ)花香鳥語(yǔ)指聲音在空氣中傳播，花香指分子在運(yùn)動(dòng)。近朱者赤，近墨者黑分子的擴(kuò)散現(xiàn)象。烈火真金金的熔點(diǎn)為1064，而一般火焰的溫

7、度800左右，所以一般火焰熔化不了金。冰消瓦解冰是固體，有一定的形狀，可以堆砌，但冰熔化成的水具有流動(dòng)性，原來的冰堆、冰山自然會(huì)倒塌消失。冬寒抱冰，夏熱握火標(biāo)準(zhǔn)狀況下，冰的溫度遠(yuǎn)低于人體溫度，冬天環(huán)境溫度又低，人需要在較高溫度環(huán)境下吸熱保溫，此刻人抱冰，不僅不能吸熱，反而因要放熱而寒冷刺骨?；鹪礈囟扔诌h(yuǎn)高于人體溫度，夏天環(huán)境溫度高，人需在較低溫度下散熱涼爽，此刻抱著火盆，不僅不能散熱，反而因要吸熱而大汗淋漓。熱火朝天一一火堆周圍的空氣受熱膨脹，密度減小而升空，旁邊的冷空氣必來填充，冷熱空氣產(chǎn)生對(duì)流。水火不容可燃物質(zhì)燃燒必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：一是可燃物溫度必須達(dá)到著火點(diǎn)，二是可燃物要與氧氣接觸。由于水的比熱較大，水與燃燒著的熾熱物體接觸，迅速升溫沸騰吸收大量的熱，從沸水變?yōu)樗魵庥忠?/p>