水的反常膨胀及其微观解释

1、水的反常膨胀及其微观解释在一般情况下，当物体的温度升高时，物体的体积膨胀、密度减小，也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。然而水在由0温度升高时，出现了一种特殊的现象。人们通过实验得到了如图23所示的t曲线，即水的密度随温度变化的曲线。由图可见，在温度由0上升到4的过程中，水的密度逐渐加大；温度由4继续上升的过程中，水的密度逐渐减小；水在4时的密度最大。水在0至4的范围内，呈现出“冷胀热缩”的现象，称为反常膨胀。水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释。物质的密度由物质内分子的平均间距决定。对于水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后形成

2、的缔合水分子的分子平均间距变大，所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合的单个水分子个数决定。具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。综合考虑两个因素的影响，便可得知水的密度变化规律。在水中，常温下有大约50的单个水分子组合为缔合水分子，其中双分子缔合水分子最稳定。图24为双分子、三分子、多分子缔合水分子的示意图。多个水分子组合时，除了呈六角形外（如雪花、窗花），还可能形成如图25所示的立体形点阵结构（属六方晶系）。每一个水分子都通过氢键，与周围四个水分子组合在一起。图中只

3、画出了中央一个水分子同周围水分子的组合情况。边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子组合，形成一个多分子的缔合水分子。由图可知，缔合水分子中，每一个氧原子周围都有4个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧原子之间是共价键，组成水分子；另外两个氢原子属于其他水分子，靠氢键与这个水分子组合在一起。可以看出，这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分于排列得比较松散，分子的间距比较大。由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化。一是缔合水分子中的各单个分子排列有序，二是各分子间的距离变大。在液态水变成固态水时，即水凝固成冰、雪、霜时，呈现出缔合水分子的形状。此

4、时，水分子的排列比较“松散”，雪、冰的密度比较小。将冰熔化成水，缔合水分子中的一些氢键断裂，冰的晶体消失。0的水与0的冰相比，缔合水分子中的单个水分子数目减少，分子的间距变小、空隙减少，所以0的水比0的冰密度大。用伦琴射线照射0的水，发现只有15的氢键断裂，水中仍然存在有约85的微小冰晶体（即大的缔合水分子）。若继续加热0的水，随着水温度的升高，大的缔合水分子逐渐瓦解，变为三分子缔合水分子、双分子缔合水分子或单个水分子。这些小的缔合水分子或单个水分子，受氢链的影响较小，可以任意排列和运动，不必形成如图24、图25那样的“缕空”结构，而且单个水分子还可以“嵌入”大的缔合水分子中间。在水温升高的过

5、程中，一方面，缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐加大，水分子的堆集程度（或密集程度）逐渐加大，水的密度也随之加大。另一方面在这个过程中，随着温度的升高，水分子的运动速度加快，使得分子的平均距离加大，密度减小。考虑水密度随温度变化的规律时，应当综合考虑两种因素的影响。在水温由0升至4的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大，为反常膨胀。水温超过4时，同样应当考虑缔合水分子中的氢键断裂、水分子运动速度加快这两个因素，综合分析它们对水密度的影响。由于在水温比较高的时候，水中缔合数大的

6、缔合水分子数目比较小，氢键断裂所造成水密度增加的影响较小，水密度的变化主要受分子热运动速度加快的影响，所以在水温由4继续升高的过程中，水的密度随温度升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。在4时，水中双分子缔合水分子的比例最大，水分子的间距最小，水的密度最大。成语之中有物理冰寒于水标准状况下，水的最低温度是0，冰的温度可以更低，即使是0的冰，因0的冰熔化成0的水时，要吸收大量的热，故此身体触及时也会感到更凉。滴水成冰水不断放热可以结冰。雪上加霜雪和霜都是水蒸气遇冷凝华而形成的。鸟语花香鸟语指声音在空气中传播，花香指分子在运动。近朱者赤，近墨者黑分子的扩散现象。烈火真金金的熔点为1064，而一般火焰的温

7、度800左右，所以一般火焰熔化不了金。冰消瓦解冰是固体，有一定的形状，可以堆砌，但冰熔化成的水具有流动性，原来的冰堆、冰山自然会倒塌消失。冬寒抱冰，夏热握火标准状况下，冰的温度远低于人体温度，冬天环境温度又低，人需要在较高温度环境下吸热保温，此刻人抱冰，不仅不能吸热，反而因要放热而寒冷刺骨。火源温度又远高于人体温度，夏天环境温度高，人需在较低温度下散热凉爽，此刻抱着火盆，不仅不能散热，反而因要吸热而大汗淋漓。热火朝天一一火堆周围的空气受热膨胀，密度减小而升空，旁边的冷空气必来填充，冷热空气产生对流。水火不容可燃物质燃烧必须同时满足两个条件：一是可燃物温度必须达到着火点，二是可燃物要与氧气接触。由于水的比热较大，水与燃烧着的炽热物体接触，迅速升温沸腾吸收大量的热，从沸水变为水蒸气又要吸收