为什么水会反常膨胀?

为什么水会反常膨胀?

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P－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℃继续上升的合过程中,水的密度逐渐减小；水在4℃时的密度最大.水在0℃至14℃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.
水在摄氏4度时密度最大之谜
多年来,科学家通过理论计算与实验,一直在进行水的非晶态多样性研究.水通常在摄氏零度时结冰.但水在摄氏零度以下时也可保持液体状态,称作过冷却水.当过冷却水到达临界点以下时就会分离出两种状态,既低密度水和高密度水.与此相对应,也存在低密度和高密度两种非晶态冰.由于水在低温时易于结冰,也由于没有非晶态冰之间互相转移的现存理论,水的非晶态多样性学说存在很多争论.其中之一就是两种密度的非晶态水是否会发生连续转移.
日本科学家的这项研究,观察了高密度非晶态冰（HDA）向低密度非晶态冰（ LDA）变化的过程.发现 H DA在零下158摄氏度以下时整体均一膨胀,在零下158摄氏度时随着不均一的体积变化迅速向 L DA转移.在转移过程中,出现两种成分共存状态,随着时间推移,H DA和LDA逐渐分离.研究证实,低温下两种水之间的转移是不连续的.
科学家认为,这项研究成果是揭开水领域各种问题的重大突破,将对今后过冷却水等研究产生重大影响,同时将带动对同温层中的云的研究及在冰点下活动的动植物细胞内存在的过冷却水的研究.如果今后能够控制这两种水的临界点,就可以自由控制水的结晶,对人类控制地球环境和开发生物冷却保存技术极有价值.
和氢键有关
液态水,除含有简单的水分子(H2O)外,同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等,当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在,当温度升高到3.98℃(101kPa)时水分子多以(H2O)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),如图所示.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.
另外,拆散缔合分子需要消耗一定的能量,这也足以说明为什么水有较大的比热的缘故
这里所说的“缔合分子”就是因为氢键而形成的.
氢键形成的主要原因是阴离子夺取电子的能力很强,使非同分子的氢原子也向它靠近,它是一种比分子间作用力强的多的力,因而可以使很多分子集中在一起,形成超大规模的分子集团,可使物质的融沸点升高.