水在4℃時密度最大,是由于水分子間有氫鍵締合這樣的特殊結構所決定的.根據(jù)近代X射線的研究,證明了冰具有四面體的晶體結構.這個四面體是通過氫鍵形成的,是一個敞開式的松弛結構,因為五個水分子不能把全部四面體的體積占完,在冰中氫鍵把這些四面體聯(lián)系起來,成為一個整體.這種通過氫鍵形成的定向有序排列,空間利用率較小,約占34％、因此冰的密度較小.
水溶解時拆散了大量的氫鍵,使整體化為四面體集團和零星的較小的“水分子集團”(即由氫鍵締合形成的一些締合分子),故液態(tài)水已經(jīng)不象冰那樣完全是有序排列了,而是有一定程度的無序排列,即水分子間的距離不象冰中那樣固定,H2O分子可以由一個四面體的微晶進入另一微晶中去.這樣分子間的空隙減少,密度就增大了.
溫度升高時,水分子的四面體集團不斷被破壞,分子無序排列增多,使密度增大.但同時,分子間的熱運動也增加了分子間的距離,使密度又減小.這兩個矛盾的因素在4℃時達到平衡,因此,在4℃時水的密度最大.過了4℃后,分子的熱運動使分子間的距離增大的因素,就占優(yōu)勢了,水的密度又開始減小.
生命獲益于反常膨脹
我們知道,如果物體所受外界壓力不變,大多數(shù)物體的體積都隨溫度的升高而增大,即熱脹冷縮.與大多數(shù)物質的性質相反,在 0到4攝氏度的溫度范圍內(nèi),水的體積卻隨溫度的升高而減小 ,這就是說,水在0到4攝氏度之間是冷漲熱縮.水的這一反常性質,對江河湖泊中的動植物的生命有著重要的影響和意義.
當寒冷的冬天來臨后,隨著氣溫的降低,江河湖泊中的水溫也隨之下降.考慮某一湖泊,設其全部湖水處于某一溫度如10攝氏度,再設湖面上空氣的溫度為-10攝氏度,于是湖表面的水就會變冷,比如說溫度降到9攝氏度,這部分水因變冷而收縮,其密度比底下較暖的水為大,因而沉入下面密度較小的水中,下面的 10攝氏度的水上升.冷水的下沉引起一個混合過程,此過程一直持續(xù)到湖泊中的所有水冷卻到4攝氏度為止.但是表面的水還要被冷空氣繼續(xù)冷卻降溫,表面水的溫度進一步降低,又比如降到3攝氏度,這部分水的體積不但不縮小反而膨脹,即表面水的密度比下面小,因而就浮在水面上不再下沉.對流和混合此時都停止了(當然擴散不會停止),表面下的水基本上靠熱傳導散失內(nèi)能.水是熱的不良導體,這樣散熱是比較慢的.表面水的溫度,先于下面的水降至0攝氏度、開始結冰.冰的密度比水小,所以一直浮在水面上而不下沉.冰下面的水,從上到下溫度為0攝氏度到4攝氏度,從上到下逐漸結冰.由于通過熱傳導而向上散熱,比較慢,并且有地熱由底下向上傳導,因此凍結的速度是緩慢的.若湖泊的水很深,湖水是不會被凍透的,湖泊中生存的動植物就可以在靠近湖底的4攝氏度的水中安然過冬,免遭凍死的厄運.
如果水的性質也像其它大多數(shù)物質那樣,在全部溫度范圍內(nèi)都是熱脹冷縮的,那么溫度較高的水不斷升到水面,向空氣散熱,湖泊中水的凍結就會從底部開始,從而容易導致湖泊中的水全部凍結.這樣一來,就毀掉了湖泊中的一切經(jīng)不起凍結的生命.
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