水的反常膨胀及其微观解释.doc

水的反常膨胀及其微观解释
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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2-３所示的ρ－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2-４为双分子、三分子、多分子缔合水分子的示意图。
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　　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2－５所示的立体形点阵构造〔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拟松散，分子的间距比拟大。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，水的构造发生了变化。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