反常膨胀

2019-11-05 17:55栏目:数理科学
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一般物质由于温度影响,其体积为热胀冷缩。反常膨胀 的情况则相反。 水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释。 只有在0℃到4℃的范围内的水才显示出反常膨胀的现象来。

反常膨胀现象

一般物质由于温度影响,其体积为热胀冷缩。但也有少数热缩冷胀的物质,如水、锑、铋、液态铁等,在某种条件下恰好与上面的情况相反。实验证明,对0℃的水加热到4℃时,其体积不但不增大,反而缩小。当水的温度高于4℃时,它的体积才会随着温度的升高而膨胀。因此,水在4℃时的体积最小,密度最大。湖泊里水的表面,当冬季气温下降时,若水温在4℃以上时,上层的水冷却,体积缩小,密度变大,于是下沉到底部,而下层的暖水就升到上层来。这样,上层的冷水跟下层的暖水不断地交换位置,整个的水温逐渐降低。这种热的对流现象只能进行到所有水的温度都达到4℃时为止。当水温降到4℃以下时,上层的水反而膨胀,密度减小,于是冷水层停留在上面继续冷却,一直到温度下降到0℃时,上面的冷水层结成了冰为止。以上阶段热的交换主要形式是对流。当冰封水面之后,水的冷却就完全依靠水的热传导方式来进行热传递。由于水的导热性能很差,因此湖底的水温仍保持在4℃左右。这种水的反常膨胀特性,保证了水中的动植物,能在寒冷季节内生存下来。这里还应注意到,冰在冷却时与一般物质相同,也是缩小的。受热则膨胀,只有在0℃到4℃的范围内的水才显示出反常膨胀的现象来。

反常膨胀的解释

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。

缔合水分子

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。

多个水分子组合时,除了呈六角形外,还可能形成立体形点阵结构。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。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。

缔合水分子呈现

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。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“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。

热胀冷缩

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。

冰的反常膨胀

液态水,除含有简单的水分子外,同时还含有缔合分子2和3等,当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以3的缔合分子存在,当温度升高到3.98 ℃时,水分子多以2缔合分子形式存在,分子占据空间相对减小,此时水的密度最大。如果温度再继续升高在3.98 ℃以上,一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0 ℃时,水结成冰,水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子,在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键,两个氢键)。这样一种排布导致成一种敞开结构,也就是说冰的结构中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小。

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