水 的 反 常 膨 胀 特 性

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水 的 反 常 膨 胀 特 性

一、水的反常膨胀特性的实验

演示水的反常膨胀的实验种类有多种，但一般学校里都没有这类设备。现在介绍一种简易的实验装置：如图1所示，将水放在小烧瓶中，并在橡皮塞中插入温度计及细长玻璃管，管后附一标尺，使水的表面达到玻璃管的中部，然后把烧瓶放在加盐的冰（可用棒冰代）水混合物中，观察烧瓶中水的温度和体积的变化。开始时水的温度很快地下降，玻璃管中水面也下降。当降至4℃以下，则见管中水面反而升高。玻璃管越细现象越明显，若取不到适当的细玻璃管，可用医院里精盐水针的白色透明的细塑料管来代替，只要将针头从橡皮塞下面穿上去，把细塑料管套插在塞头上面的针头上，然后把塑料管拉直固定就行。
二、水在0℃与4℃间有反常膨胀的特性
实验表明，水在4℃以上，仍然是遵循热胀冷缩规律的，从4℃以下，即4℃到0℃间才发生反常膨胀。水在4℃时，体积最小，密度最大。水的这种反常膨胀现象，可以从水的密度随温度变化的图线显示出来。如图2所示。
水的温度在0℃与4℃之间有反常膨胀现象，那么冰的体积与温度的改变有什么关系呢？为了明确这个问题，可以研究冰和水的热膨胀图线。如图3所示，横坐标表示温度，纵坐标表示体积，纵坐标的左面表示冰的体积与温度的关系，右面表示水的体积与温度的关系，线段AB表示冰的热膨胀图线，纵坐标OB表示0℃时冰的体积，图线AB表示冰在温度变化过程中体积的变化。由图线中可以看出冰的热膨胀现象与一般物质相同，受热膨胀，受冷缩小。纵坐标OC表示在零度时冰所溶解成水的体积，线段BC表示零度时的冰熔解成水所减小的体积，而图线CDE表示水在加热过程中体积的变化。在温度0℃时到4℃范围内水的体积变化是反常膨胀，如线段CD所示。

通过以上图线的研究知道，冰仍然是热膨胀冷缩的，只有在0℃到4℃的范围内的水才显示反常膨胀的现象，这是指化学上纯水而言的。海水约在3℃时具有最大的密度。水具有最大密度时的温度，将随着压强的增加而降低。
三、水的反常膨胀特性的原因
水的反常膨胀现象，原因是水分子具有特殊的结构，但对水分子结构的研究，现代科学上还没有统一的认识，因此对水的密度的反常变化的原因还没有统一的解释方法，现在介绍常见的几种解释方法以供参考。
1．“晶体结构”论：为了介绍水的反常膨胀，有必要先介绍冰的晶体结构。在冰的晶体结构中，水分子（即冰晶体的分子）以一定的方向排列在晶体点阵内，每个水分子都被另外四个分子所包围，这四个水分子形成一个四面体（三角形锥体），水分子间相互作用力的性质使得在冰的晶体中水分子的排列一定是这种形式，这种排列方式是比较松散，体积较大，如果在冰中的水分子不象这样排列，而一个连着一个排列得很密，那时同样质量的冰的体积将会缩小。

用x射线研究液态水的结构时，发现在低温的液态水中在一定的程度上还保留着冰的四面体的结构，就是说在低温的液态水中有着非常微小的冰的结晶。根据推算，在接近0℃时的水约包含着0.60%的这种微晶体，当温度逐渐升高时，这种微晶体逐渐地被破坏。因为这种微晶体具有象冰一样的晶结构，它的体积比同质量水的体积大，所以这种微晶体逐渐地被破坏，它的体积就逐渐变小，因而密度逐渐变大。反过来说，它的温度从4℃降到0℃时，这种微晶体逐渐增加，体积逐渐变大，密度逐渐缩小，出现反常膨胀。但水的温度高于4℃时，水分子的热运动使得分子间的距离增加，体积变大，密度变小，所以说水在4℃时的密度最大。
2．“极性分子”论：
原来水是由很多不断运动着的水分子组成的。根据实验和近代理论研究的结果，知道在水分子的两端产生了带有两个相反的电荷，一端带正电荷，一端带负电荷。如图4所示：在逐渐升高到4℃以上时，水分子的动能大了，运动速度加快了，吸引在一道的两个分子，渐渐拆开为单个分子，运动的范围也扩大了，这时候水的密度也渐渐变小了。
3．“分子的谛合”论：
水的反常膨胀现象和水在不同状态的结构有关。实验事实证明，无论是液态或固态的水都含有由简单分子结合而成的复杂分子(H2O)2。

这种结合过程称为水分子的谛合。
液态水，除了含有简单的水分子(H2O)外，同时还含有谛合分子(H2O)2和(H2O)3。由于谛合是放热过程，所以温度低水的谛合程度也随之增高，即n值变大。当温度为0℃时，水便结合冰，全部水分子谛合在一起。在冰的结构中，每个氧原子与4个氢原子相连接成四面体，所以冰的结构中有较大的空隙，因而冰的密度比水小，比水轻。
水在4℃时密度最大的原因，可能是在0℃的液态水中仍保持有一些非常微小的同冰的结构相似的谛合分子所致。当加热时，一方面这种冰结构的谛合分子继续被破坏，变成较紧密的排列而使密度上升变大；另一方面水分子的热运动增强，水分子间距离增大又会使密度随温度上升变小。在4℃以下第一种效应占优势，在4℃以上第二种效应占优势。所以只有在4℃时，密度最大。
四、研究水的反常膨胀的意义
水的膨胀特性对岩石的分化、土壤的结构变化有其密切关系，对气候的变化也有重大的意义。射到水面上的日光，部分地反射和部分地透入水中而使水加热。如果水的温度是低的，那末变热了的水层（例如2℃）将比底下冷的水层（例如1℃的）重些，因而将下沉。水而将由冷水层所替，这水层又将慢慢加热。这样一来，水层将不断地发生互换作用，在整个水的温度还没有达到水的密度最大的温度时，全部水层将慢慢地达到相同的温度。如果水的温度已达到密度最大时的温度，那么继续加热将使上面水层的密度小于下层的密度，因而这水层将留在水面。由于这个原因，大部分的水只能在到达密度最大时的温度前，才会容易地被日光所晒热。要使下层的水晒热到这一温度之上是很慢的。相反地，要使水的温度降低到密度最大时的温度是相当快的，但以后温度的降低就变慢了。所有这些指出，为什么在深的水库中，从某一深度会接近于水密度最大时的温度（2°—3℃）。在热带地方，海水上层的温度可能是很高的（30℃和30℃以上）。
众所周知，严寒的冬天，盛了水的容器易冻裂，乃是水的反常膨胀，先在水面结冰封了口，里面的水继续冷却膨胀、若超过了限度就使容器胀破。水的凝结是不同于桐油、菜油之类的凝结那样由下而上，而是从上而下的。冬天岩石隙缝中、乱石土壤里积储了水、由于水的反常膨胀致使分化疏松。由于水的这种特性，所以较深的池塘、湖泊的里的水，在冬天不会冻结到底部，生活在水中的动物和植物仍可以生存。可见懂得水的这种特性，对人类生活的关系是意义重大的。