締合水分子理論

1、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0C溫度 升高時(shí)，出現(xiàn)了一種 特殊的現(xiàn)象 。人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了如圖 2 3所示的 Pt 曲線，即水的密度隨溫度變化的曲線。由圖可見(jiàn)， 在溫度由0C上升到4C的過(guò)程中，水的密度逐漸加大；溫度由 4C繼續(xù)上升的合過(guò)程中，水的密度逐漸減??；水在4C時(shí)的密度最大。水在0C至4C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(duì)于水來(lái)說(shuō)， 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

2、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(shuō)，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。圖 24為雙分子、三分子、多 分子締合水分子的示意圖。多個(gè)水分子組合時(shí)，除了呈六角形外（如雪花、窗花） ，還 可能形成如圖 25 所示的立體形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) （屬

3、六方晶系） 。每一 個(gè)水分子都通過(guò)氫鍵， 與周圍四個(gè)水分子組合在一起。 圖中只畫(huà) 出了中央一個(gè)水分子同周圍水分子的組合情況。 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

4、子排列有 序，二是各分子間的距離變大。 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?？梢钥闯?，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)

5、，水分子的排列比較“松散”，雪、 冰的密度比較小。失。0C的水與oc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 0c的水比0c的冰密 度大。用倫琴射線照射oc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oc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?雙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)，不必形成如圖 24、圖 25 那樣的“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

6、的過(guò)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(guò)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0c升至4c的過(guò)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(guò)程中， 水的密度隨溫度的增高而加大， 為反常膨脹。水溫超過(guò)4c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(duì)水密度

7、的影響。 由 于在水溫比較高的時(shí)候， 水中締合數(shù)大的締合水分子度加快的影響，所以在水溫由4C繼續(xù)升高的過(guò)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4C時(shí)，水中雙分子締合水分子的比例最大，水分子的間 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)速距最小，水的密度最大。Under normal circumstances, when the temperature of objects, the objects the size of expansion, the density decreases, which is usually by Ex

8、pansion and Contraction phenomenon. However, water temperature from 0C whenthere is a special phenomenon. It is through experiments have been shown in Figure 2-3 of the P-t curve, that is, the density of water changes with temperature curve. Can be seen from the chart, the temperature rose from 0C t

9、o4 C in the process of gradual increase in the density of water; temperatures continue to rise by 4C complianceprocess, gradually reduce the density of water; water at4 C at the time of the most densely . Water at 0C to14 C the framework of a cold shrink-swell phenomenon, known as the anomalous expa

10、nsion. Abnormal expansion of the phenomenon of water can be used hydrogen bonds, water molecules associating theory be explained.The density of the material by the material elements within the average distance between the decision. For water, because water there is a large number of individual water

11、 molecules, there are also a number of water molecules together the association of water molecules, while the water molecules in association formed after the association of water molecules the average distance between molecules become larger, so water Associating the water density from the number of

12、 water molecules, associating the number of water molecules in a single decision. Specifically, the density of water from water molecules to enter into cooperation, and the thermal motion of water molecules of two factors. When the temperature goes up, the thermal motion of water molecules to speed

13、up, to enter into cooperation with the decline; When the temperature is reduced, the thermal motion of water molecules slow down, to enter into cooperation with the strengthening. Considering the two factors, the density of water will be aware of changes.In water at room temperature about 50%of the

14、portfolio for a single water molecules associatingwater molecules,which bimolecular Associating the most stable water molecules. Figure 2-4 for the two-molecule, the three elements, multi-molecular association of the schematic diagram of water molecules.Combination of a number of water molecules, in

15、 addition to hexagonal outside (such as snowflakes, window bars), may also be formed as shown in Figure 2-5, three-dimensional lattice-shaped structure (a hexagonal lines). Each of water molecules through hydrogen bonds with the surrounding four water molecules together. Figure draw only the central

16、 one water molecule with a combination of water molecules surrounding the situation. The edge of the four water molecules are also in accordance with the laws of the same with the other combination of water molecules to form more than one molecule of water molecules association. By the map, we can s

17、ee that associating water molecules, each has around one oxygen atom - 4 hydrogen atoms, two of which close to a number of hydrogen atoms with oxygen atoms is a covalent bond between the form of water molecules; the other two hydrogen atoms of other water molecules through hydrogen bonds with the wa

18、ter molecules together. We can see that this combination of a number of molecular association of water molecules in water with relatively loose and relatively large distance between molecules. As the hydrogen bond has a certain direction, so the water molecules in a single portfolio for the association of water molecules, the water structure has chang