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P－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)上升的合過程中,水的密度逐漸減小；水在4℃時(shí)的密度最大.水在0℃至14℃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.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.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.可以看出,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“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.
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