為什么4℃的水密度最大

為什么水在4℃時(shí)密度最大2022-01-0510:41分類：作者：liuxinyuan2022閱讀：662(文章來(lái)源于牛云景工作室的博客，如有不妥請(qǐng)聯(lián)系我們。)晏成和水水是最普通、最常見(jiàn)的物質(zhì)。動(dòng)植物的生存都離不開(kāi)水，水是生命之源。人們把水的凝固點(diǎn)作為記錄溫度的零點(diǎn)，并把水的沸點(diǎn)定為100℃，即把水的相變點(diǎn)作為自然所有物質(zhì)溫度的標(biāo)尺。人們知道，水是一個(gè)氧、兩個(gè)氫原子的定組成。為什么必須是這樣的結(jié)合？水H2O的價(jià)電子數(shù)之和（1+1+6=8），自然元素周期律是8，在球面能均勻分布的是8。所以化合物的穩(wěn)定結(jié)合都是使價(jià)電子之和達(dá)到大自然鐘愛(ài)的8、或8的整數(shù)倍，如,二氧化碳CO2（4+6+6）、鹽、氧化鈣等等。氧與氫的結(jié)合活力四射，本來(lái)氫氣、氧氣各自價(jià)電子速率極高、能量很高，化合時(shí)劇烈燃燒，釋放出了大量的能量。氫、氧結(jié)合后達(dá)到低能量穩(wěn)定狀態(tài)，價(jià)電子速率已經(jīng)最低，就像碳燃燒成了二氧化碳一樣，再也不能向外釋放能量。那種說(shuō)在水中加入少量的物質(zhì)就能點(diǎn)燈、能開(kāi)動(dòng)汽車，顯然是騙人之談。水以云、雨、溪、河、湖、海、的面目呈現(xiàn)、在自然界循環(huán)旅行。然而至今，自然之水的神秘面紗還遠(yuǎn)沒(méi)有揭開(kāi)，人們對(duì)水的倩容，既看得見(jiàn)、又看不清；她既楚楚動(dòng)人，又深邃神秘。我們天天喝的、用的水竟給世人留下這么多的謎：燒水時(shí)為什么水開(kāi)之前，80℃總是絲絲作響，水開(kāi)了就不響了？為什么水在4℃時(shí)密度最大，4℃以下時(shí)越冷，反而體積脹大？為什么水在低氣壓下沸點(diǎn)降低，在高原上不易把飯煮熟？為什么熱水先結(jié)冰？天空中水蒸氣怎樣找到同伴，相聚成雨？下雨天為什么經(jīng)常產(chǎn)生雷電？雪花為什么是六邊形的？水的蒸發(fā)H2O在0℃到100℃之間是我們最常見(jiàn)的液體——水。水在常溫、空氣流通的環(huán)境里能夠自然蒸發(fā)，在高溫下沸騰——全面蒸發(fā)、形成水蒸氣，這些變化都與水分子的構(gòu)成及其核外電子的運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)。一個(gè)氧和二個(gè)氫的原子核相互吸引對(duì)方的一個(gè)價(jià)電子，結(jié)合成的兩個(gè)連環(huán)的結(jié)構(gòu)元，形成水分子（圖一A），A水分子中間紅色是氧原子兩個(gè)綠色是氫核黃色是價(jià)和電子運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域B水蒸氣示意圖中間紅色是氧原子兩個(gè)綠色是氫核，藍(lán)色是外來(lái)電子黃色是價(jià)和電子球面運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域這是組成水的基本單位。在0℃到100℃之間，這些結(jié)構(gòu)元的價(jià)電子的旋轉(zhuǎn)線路在黃色區(qū)域范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致所伴生的與電子旋轉(zhuǎn)垂直的電磁力方向不穩(wěn)、不能形成穩(wěn)定的固體，因而水分子聚集在一起，成鏈、成團(tuán)，時(shí)合時(shí)分（圖二A）。不穩(wěn)的電磁力，形成水的內(nèi)聚力。在水的表面，上十層結(jié)構(gòu)元沿水的表面連接鋪開(kāi)，構(gòu)成了水面張力。A水的結(jié)構(gòu)B冰的結(jié)構(gòu)圖二水與冰的結(jié)構(gòu)水燒響了在平時(shí)（在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）燒開(kāi)水時(shí)，水溫到了80℃以上，我們就可以聽(tīng)到水中發(fā)出絲絲的響聲。人們都有這個(gè)經(jīng)驗(yàn)：水響了就是快開(kāi)了，水開(kāi)了就不響了。水為什么響？小孩們常常提這個(gè)問(wèn)題，教科書(shū)上沒(méi)有提及。水燒熱了，價(jià)和電子的速率升高，旋轉(zhuǎn)扭角增大，電磁力方向散漫，分子間的引力越來(lái)越小，成鏈成團(tuán)的水分子，都要掙開(kāi)所在的鏈或團(tuán)。到了80℃，H2O開(kāi)始了大規(guī)模的汽化，將要?dú)饣姆肿优c原來(lái)水分子價(jià)電子的速率不協(xié)調(diào)，在掙開(kāi)羈絆時(shí)，都會(huì)引起振動(dòng)，無(wú)數(shù)個(gè)振動(dòng)的“大合唱”就是燒水時(shí)的絲絲聲。水開(kāi)時(shí)，這些H2O中的鏈或團(tuán)基本都扯開(kāi)了，速率也協(xié)調(diào)趨向一致，響聲也就漸漸沒(méi)有了。價(jià)和電子速率更高，包圍旋轉(zhuǎn)成為球面，結(jié)構(gòu)元基本獨(dú)立，從里到外與周圍的分子推開(kāi)距離，躍向空間，水沸騰了。價(jià)電子運(yùn)轉(zhuǎn)包圍成飽滿殼層，電子之間的斥力使之與周圍的水分子推開(kāi)距離，形成水蒸氣升到空中，（圖一B）這就是水的蒸發(fā)。水的凝結(jié)溫度低時(shí)，天空中的水蒸氣的價(jià)電子降低速率，運(yùn)轉(zhuǎn)的線路由橄欖球狀到立交，產(chǎn)生破口，形成鼓狀（圖三B），借破口處的電磁力相互吸引、相聚成云。溫度進(jìn)一步降低，云霧聚集成小水珠，落下來(lái)形成了雨。如果不考慮核外電子在不同溫度條件下的運(yùn)轉(zhuǎn)形式，現(xiàn)代物理學(xué)就不可能解讀水的蒸發(fā)、更不能解釋水蒸氣如何在天空相聚成云，不能夠回答雨的形成。圖三A：水蒸氣分子，藍(lán)色表示核外電子線路呈球面包圍，對(duì)外顯現(xiàn)斥力。B:價(jià)和電子速率降低、價(jià)和電子線路由空間球面運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入到扭曲運(yùn)轉(zhuǎn)，球面殼層兩端呈現(xiàn)破口，破口處電磁力顯現(xiàn)出來(lái)。C:電磁力讓H2O分子在茫茫分子之間找到同類，并且相聚成雨。綠色為氮、氧等大氣中的分子。雷電由于水蒸氣的核外電子要圍繞著三核心（兩個(gè)氫和一個(gè)氧）運(yùn)轉(zhuǎn)，因而水蒸氣的價(jià)電子進(jìn)行空間球面運(yùn)轉(zhuǎn)的路徑長(zhǎng)，對(duì)核心的覆蓋難以飽滿。導(dǎo)致每個(gè)水蒸氣分子都有吸納額外電子趨勢(shì)。于是，大氣中游離的電子總是被水蒸氣吸引、吸納，形成多對(duì)價(jià)電子圍繞3核心的球面運(yùn)轉(zhuǎn)的水蒸氣分子。（圖一B）這樣，水蒸氣就成了大氣中容納游離電子的微型電容。水蒸氣把蘊(yùn)含的附加電荷也隨身帶到了高空。在高空遇到低溫，水蒸氣的價(jià)和電子速率降低，線路由空間球面運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入到扭曲運(yùn)轉(zhuǎn)，分子相互吸引，水蒸氣凝結(jié)，形成由氣體到液體的相變。同時(shí)，水蒸氣早期價(jià)電子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的加入成分——多出電子沒(méi)有了容身之地。形成了云層中的電荷，形成了非常規(guī)電場(chǎng)——云層里的電壓。云層是大量水蒸氣相變成水汽的集合，因而附近也就聚集了大量的電荷，能形成很高的電壓。云層之間、云層與大地之間產(chǎn)生電位差巨大，沖開(kāi)一條路，高電壓電荷在大氣中穿行使周邊物質(zhì)的電子發(fā)生振動(dòng)，形成壯觀的閃電現(xiàn)象；同時(shí)還引起空氣劇烈地震動(dòng)，形成了隆隆的雷聲。水的密度水在4℃時(shí)密度最大，高于4℃時(shí)，具有一般物質(zhì)的共性——熱脹冷縮，其原理是價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)的半徑在溫度高時(shí)略有增加。奇怪的是：在溫度低于4℃時(shí)它卻反?！涿洘峥s。這是自然在給人類出難題，還是有意露出蛛絲馬跡，施展魅力，引人入勝。在溫度降低到4℃以下時(shí)，H2O成鏈成團(tuán)的價(jià)和電子的速率降低，趨近平面運(yùn)轉(zhuǎn)，其電磁力方向趨向穩(wěn)定，準(zhǔn)備進(jìn)入固體狀態(tài)。電磁力試圖把鄰近的雙連結(jié)構(gòu)元相互聯(lián)系到相對(duì)固定的位置，宏觀的表現(xiàn)是粘滯力增大。這樣就導(dǎo)致了分子“氫氧氫——HOH”之間的電磁力的對(duì)位，使分子結(jié)構(gòu)元間排開(kāi)位置，為凝固作準(zhǔn)備，不象4℃時(shí)或以上時(shí)擠在一起，故而占據(jù)較大的空間。溫度越低，價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)的線路越平正，電磁力對(duì)位越正，分子之間的間隙越大，參入對(duì)位排列的分子越多，占據(jù)的空間更大。此時(shí)就形成了水的冷脹現(xiàn)象。到結(jié)冰時(shí)，所有的價(jià)和電子都在相對(duì)固定的平面穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁力更為穩(wěn)定，使得分子之間進(jìn)一步的對(duì)正位置、排列整齊，所以冰也是冷脹熱縮（圖二B）。而且冷脹力量很大，在隆冬，冰常常凍裂了水管、水龍頭。正是因?yàn)楸拿芏容^小，浮在水面，保護(hù)著冰層以下的生物。其他的的固體是單一的金屬和非金屬，其內(nèi)力分別是電磁力和價(jià)和力。它們的結(jié)構(gòu)元之間對(duì)位自然整齊，不存在拉開(kāi)距離對(duì)位，所以不會(huì)冷脹，仍然保持著熱脹冷縮。冰的電磁力的對(duì)位是分子間的，間隔較大，但其實(shí)質(zhì)仍然是電磁力，只不過(guò)這是由不同原子經(jīng)價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)組合成分子（達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)）之后所剩余的電磁力，因而這種電磁力要比及金屬原子間的電磁力要小得多，這就是文獻(xiàn)中所介紹的范德華力。姆潘巴問(wèn)題?當(dāng)姆潘巴還是一名小學(xué)生時(shí)，老師帶著他們做水的結(jié)冰實(shí)驗(yàn)，調(diào)皮的姆潘巴把一杯冷水和一杯熱水同時(shí)置于冰箱冷凍室，奇怪！熱水先結(jié)冰，老師以為他搞錯(cuò)了杯子，把杯子作好記號(hào)再做，還是熱水先結(jié)冰。他們把這一問(wèn)題寄往有關(guān)科學(xué)雜志，這一問(wèn)題也引起了科學(xué)界的困惑，于是就有了這有名的姆潘巴之謎。以上闡述：水的氣化、凝結(jié)都是價(jià)和電子運(yùn)動(dòng)線路、速率所導(dǎo)致。在結(jié)冰過(guò)程中，也必然有運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)慣性問(wèn)題。大家知道0℃的水與0℃的冰并存，把冷水緩慢地降溫到0℃，水還是水，并不結(jié)冰，即水的價(jià)和電仍然維持著原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方式。只有把水的溫度降到0℃以下（過(guò)冷），當(dāng)水開(kāi)始了結(jié)冰，再回到0℃,這時(shí)的水會(huì)繼續(xù)結(jié)冰，直到全部都凝結(jié)成冰塊。這就是說(shuō)水經(jīng)過(guò)過(guò)冷之后，價(jià)電子開(kāi)始了凝結(jié)運(yùn)動(dòng)，然而這種運(yùn)動(dòng)方式一旦開(kāi)始，所有的價(jià)和電子都按這個(gè)趨勢(shì)（慣性）完成全部的運(yùn)動(dòng)。置于冰箱中的冷水與外界溫差較小，核外電子緩慢地降低自身的價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)速率。因?yàn)闇夭畈淮螅@種降溫一般在物質(zhì)的表面，整體物質(zhì)降溫過(guò)程緩慢，還有一個(gè)從內(nèi)向外的傳熱過(guò)程，需較長(zhǎng)時(shí)間才能使整體的價(jià)和電子的運(yùn)轉(zhuǎn)逐步地歸順到有序的平面運(yùn)轉(zhuǎn)，緩慢地使水結(jié)冰。有人會(huì)想：熱水要達(dá)到冷水、再才能結(jié)冰，過(guò)程肯定長(zhǎng)一些。但是熱水在