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文檔簡介

1、水的反常膨脹及其微觀解釋在一般情況下,當物體的溫度升高時,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,出現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象。人們通過實驗得到了如圖23所示的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)上升的過程中,水的密度逐漸減小;水在4時的密度最大。水在0至4的范圍內,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。物質的密度由物質內分子的平均間距決定。對于水來說,由于水中存在大量單個水分子,也存在多個水分子組合在一起的締合水分子,而水分子締合后形成

2、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量、締合的單個水分子個數決定。具體地說,水的密度由水分子的締合作用、水分子的熱運動兩個因素決定。當溫度升高時,水分子的熱運動加快、締合作用減弱;當溫度降低時,水分子的熱運動減慢、締合作用加強。綜合考慮兩個因素的影響,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。多個水分子組合時,除了呈六角形外(如雪花、窗花),還可能形成如圖25所示的立體形點陣結構(屬六方晶系)。每一個水分子都通過氫鍵,與周圍四個水分子組合在一起。圖中只

3、畫出了中央一個水分子同周圍水分子的組合情況。邊緣的四個水分子也按照同樣的規(guī)律再與其他的水分子組合,形成一個多分子的締合水分子。由圖可知,締合水分子中,每一個氧原子周圍都有4個氫原子,其中兩個氫原子較近一些,與氧原子之間是共價鍵,組成水分子;另外兩個氫原子屬于其他水分子,靠氫鍵與這個水分子組合在一起??梢钥闯?,這種多個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,因此在單個水分子組合為締合水分子后,水的結構發(fā)生了變化。一是締合水分子中的各單個分子排列有序,二是各分子間的距離變大。在液態(tài)水變成固態(tài)水時,即水凝固成冰、雪、霜時,呈現(xiàn)出締合水分子的形狀。此

4、時,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水分子數目減少,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水分子。這些小的締合水分子或單個水分子,受氫鏈的影響較小,可以任意排列和運動,不必形成如圖24、圖25那樣的“縷空”結構,而且單個水分子還可以“嵌入”大的締合水分子中間。在水溫升高的過

5、程中,一方面,締合數小的締合水分子、單個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。另一方面在這個過程中,隨著溫度的升高,水分子的運動速度加快,使得分子的平均距離加大,密度減小??紤]水密度隨溫度變化的規(guī)律時,應當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,比由分子熱運動速度加快引起水密度減小的作用更大,所以在這個過程中,水的密度隨溫度的增高而加大,為反常膨脹。水溫超過4時,同樣應當考慮締合水分子中的氫鍵斷裂、水分子運動速度加快這兩個因素,綜合分析它們對水密度的影響。由于在水溫比較高的時候,水中締合數大的

6、締合水分子數目比較小,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動速度加快的影響,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,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。成語之中有物理冰寒于水標準狀況下,水的最低溫度是0,冰的溫度可以更低,即使是0的冰,因0的冰熔化成0的水時,要吸收大量的熱,故此身體觸及時也會感到更涼。滴水成冰水不斷放熱可以結冰。雪上加霜雪和霜都是水蒸氣遇冷凝華而形成的。鳥語花香鳥語指聲音在空氣中傳播,花香指分子在運動。近朱者赤,近墨者黑分子的擴散現(xiàn)象。烈火真金金的熔點為1064,而一般火焰的溫

7、度800左右,所以一般火焰熔化不了金。冰消瓦解冰是固體,有一定的形狀,可以堆砌,但冰熔化成的水具有流動性,原來的冰堆、冰山自然會倒塌消失。冬寒抱冰,夏熱握火標準狀況下,冰的溫度遠低于人體溫度,冬天環(huán)境溫度又低,人需要在較高溫度環(huán)境下吸熱保溫,此刻人抱冰,不僅不能吸熱,反而因要放熱而寒冷刺骨?;鹪礈囟扔诌h高于人體溫度,夏天環(huán)境溫度高,人需在較低溫度下散熱涼爽,此刻抱著火盆,不僅不能散熱,反而因要吸熱而大汗淋漓。熱火朝天一一火堆周圍的空氣受熱膨脹,密度減小而升空,旁邊的冷空氣必來填充,冷熱空氣產生對流。水火不容可燃物質燃燒必須同時滿足兩個條件:一是可燃物溫度必須達到著火點,二是可燃物要與氧氣接觸。由于水的比熱較大,水與燃燒著的熾熱物體接觸,迅速升溫沸騰吸收大量的熱,從沸水變?yōu)樗魵庥忠?/p>

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