水的反常膨胀特性

1、水的反常膨胀特性、水的反常膨胀特性的实验 1演示水的反常膨胀的实验种类有多种，但一般学校里都没有这类设 备。现在介绍一种简易的实验装置：如图1所示，将水放在小烧瓶中，并 在橡皮塞中插入温度计及细长玻璃管， 管后附一标尺，使水的表面达到玻 璃管的中部，然后把烧瓶放在加盐的冰（可用棒冰代）水混合物中，观察 烧瓶中水的温度和体积的变化。开始时水的温度很快地下降，玻璃管中水 面也下降。当降至4C以下，贝U见管中水面反而升高。玻璃管越细现象越 明显，若取不到适当的细玻璃管，可用医院里精盐水针的白色透明的细塑 料管来代替，只要将针头从橡皮塞下面穿上去，把细塑料管套插在塞头上 面的针头上，然后把塑料管拉直固

2、定就行。、水在0C与4C间有反常膨胀的特性实验表明，水在4C以上，仍然是遵循热胀冷缩规律的，从4C以下, 即4C到0C间才发生反常膨胀。水在4C时，体积最小，密度最大。水 的这种反常膨胀现象，可以从水的密度随温度变化的图线显示出来。 如图 2所示。水的温度在0C与4C之间有反常膨胀现象，那么冰的体积与温度的 改变有什么关系呢？为了明确这个问题，可以研究冰和水的热膨胀图线。 如图3所示，横坐标表示温度，纵坐标表示体积，纵坐标的左面表示冰的 体积与温度的关系，右面表示水的体积与温度的关系，线段AB表示冰的热膨胀图线，纵坐标0B表示0C时冰的体积，图线AB表示冰在温度变化 过程中体积的变化。由图线中

3、可以看出冰的热膨胀现象与一般物质相同， 受热膨胀，受冷缩小。纵坐标 0C表示在零度时冰所溶解成水的体积，线段BC表示零度时的冰熔解成水所减小的体积，而图线 CDE表示水在加热 过程中体积的变化。在温度0C时到4C范围内水的体积变化是反常膨胀， 如线段CD所示。1.0000Q999A0.99920.9为町图2 3通过以上图线的研究知道，冰仍然是热膨胀冷缩的，只有在0C到4C 的范围内的水才显示反常膨胀的现象， 这是指化学上纯水而言的。海水约 在3C时具有最大的密度。水具有最大密度时的温度，将随着压强的增加 而降低。三、水的反常膨胀特性的原因水的反常膨胀现象，原因是水分子具有特殊的结构，但对水分子

4、结构 的研究，现代科学上还没有统一的认识，因此对水的密度的反常变化的原 因还没有统一的解释方法，现在介绍常见的几种解释方法以供参考。1“晶体结构”论：为了介绍水的反常膨胀，有必要先介绍冰的晶 体结构。在冰的晶体结构中，水分子（即冰晶体的分子）以一定的方向排 列在晶体点阵内，每个水分子都被另外四个分子所包围， 这四个水分子形 成一个四面体（三角形锥体），水分子间相互作用力的性质使得在冰的晶 体中水分子的排列一定是这种形式，这种排列方式是比较松散，体积较大, 如果在冰中的水分子不象这样排列，而一个连着一个排列得很密，那时同 样质量的冰的体积将会缩小。用x射线研究液态水的结构时，发现在低温的液态水中

5、在一定的程度 上还保留着冰的四面体的结构，就是说在低温的液态水中有着非常微小的冰的结晶。根据推算，在接近0C时的水约包含着0.60%的这种微晶体， 当温度逐渐升高时，这种微晶体逐渐地被破坏。因为这种微晶体具有象冰 一样的晶结构，它的体积比同质量水的体积大，所以这种微晶体逐渐地被 破坏，它的体积就逐渐变小，因而密度逐渐变大。反过来说，它的温度从 4C降到0C时，这种微晶体逐渐增加，体积逐渐变大，密度逐渐缩小， 出现反常膨胀。但水的温度高于 4C时，水分子的热运动使得分子间的距 离增加，体积变大，密度变小，所以说水在 4C时的密度最大。2“极性分子”论：原来水是由很多不断运动着的水分子组成的。根据

6、实验和近代理论研 究的结果，知道在水分子的两端产生了带有两个相反的电荷， 一端带正电 荷，一端带负电荷。如图4所示：在逐渐升高到4C以上时，水分子的动 能大了，运动速度加快了，吸引在一道的两个分子，渐渐拆开为单个分子， 运动的范围也扩大了，这时候水的密度也渐渐变小了。3“分子的谛合”论：水的反常膨胀现象和水在不同状态的结构有关。实验事实证明，无论是液态或固态的水都含有由简单分子结合而成的复杂分子 （”0）2。nHQoC比0人这种结合过程称为水分子的谛合。液态水，除了含有简单的水分子（H20）外，同时还含有谛合分子（H2O）2 和（甩0）3。由于谛合是放热过程，所以温度低水的谛合程度也随之增高，

7、 即n值变大。当温度为0C时，水便结合冰，全部水分子谛合在一起。在 冰的结构中，每个氧原子与4个氢原子相连接成四面体，所以冰的结构中 有较大的空隙，因而冰的密度比水小，比水轻。水在4C时密度最大的原因，可能是在 0C的液态水中仍保持有一些 非常微小的同冰的结构相似的谛合分子所致。当加热时，一方面这种冰结 构的谛合分子继续被破坏，变成较紧密的排列而使密度上升变大；另一方 面水分子的热运动增强，水分子间距离增大又会使密度随温度上升变小。 在4C以下第一种效应占优势，在 4C以上第二种效应占优势。所以只有 在4C时，密度最大。四、研究水的反常膨胀的意义水的膨胀特性对岩石的分化、土壤的结构变化有其密切

8、关系，对气候 的变化也有重大的意义。射到水面上的日光，部分地反射和部分地透入水 中而使水加热。如果水的温度是低的，那末变热了的水层（例如2C）将比底下冷的水层（例如1C的）重些，因而将下沉。水而将由冷水层所替，这水层又将慢慢加热。 这样一来， 水层将不断地发生互换作用， 在整个水 的温度还没有达到水的密度最大的温度时， 全部水层将慢慢地达到相同的 温度。如果水的温度已达到密度最大时的温度， 那么继续加热将使上面水 层的密度小于下层的密度， 因而这水层将留在水面。 由于这个原因， 大部 分的水只能在到达密度最大时的温度前， 才会容易地被日光所晒热。 要使 下层的水晒热到这一温度之上是很慢的。 相反地，要使水的温度降低到密 度最大时的温度是相当快的， 但以后温度的降低就变慢了。 所有这些指出， 为什么在深的水库中，从某一深度会接近于水密度最大时的温度（23C）。在热带地方，海水上层的温度可能是很高的（30C和30C以上）。众所周知，严寒的冬天，盛了水的容器易冻裂，乃是水的反常膨胀， 先在水面结冰封了口， 里面的水继续冷却膨胀、 若超过了限度就使容器胀 破。水的凝结是不同于桐油、 菜油之类的凝