水为什么在四度时密度最大

水为什么在四度时密度最大 水 …… 我们知道,正常情况下物质是 热胀冷缩的,所以温度越高,物质的 密度越小.但也有一些例外情况,如 水在O,4cc之间是热缩冷胀的,人 们把这种现象叫做反常膨胀.设想把 一 定质量的水从O?加热到10?, 水的体积是先减小后增大的,4?是 密度最大. 转折点,此时体积最小, 水的这种奇异特性很容易在自然界中 看到,如冬天河,塘里的水结冰时, 总是从水面开始的.也就是说首先是 河面的水温降NocC,下面的水温则 高于0?,从上向下温度逐渐升高, 密度则逐渐增大,河底温度在4?左 右,河底密度最大,如图1所示.正 因为水的这种奇异特性,才出现"人 鱼在冰下游"的自然景 在冰上走, 象. 我们的问题是,水为什么会出 现反常膨胀现象7或者说,为什么水 在4?时密度最大呢?一般来说,热 学中的宏观现象都有它的微观本质, 所以水的反常膨胀也跟水分子具有的 特殊排列有关.但要从分子论的角度 打杀长鸣鸡,弹去鸟臼乌. —— 南朝民歌《读曲歌》 给出详细的解释,困难比较大.到目 前为止,人们对水分子的研究还是很 不够的,有关水的反常膨胀现象尚没 有统一的解释.本文介绍两种常见且 通俗的解释,供同学们参考. 【解释一】在温度较低时,水 不完全是液态,还有一些微小的冰晶 体.在冰晶体中,每个分子以一定的 规律排列在晶体点阵内,每个分子都 被4个分子包围,4个分子在空间构 成一个4面体.而液态水中的分子, 排列比较杂乱,不像冰晶体中的分子 那样规则排列.虽然这些水分子在液 态水中运动比在冰晶中更自由些,但 是分子间的平均距离却比在冰中小, 所以液态水的密度比固态水的密度 :碜荸商…" 图1 ? ? ? ? 密 度 增 大 大.科学家用X射线研究接近OcC 的水的结构时,发现在液态水中存在 着非常小的冰的晶体.根据推算,在 接近0.C的水中大约有0.6%的这种 冰晶.当温度逐渐升高时,这些冰晶 逐渐被破坏,引起体积的减小,致使 密度增大. 在温度4~0上下,水中有两种使 密度发生改变的效应:一是由于温度 升高,液态水的分子热运动加剧,分 子间的平均距离增大,致使水的密度 减小;另一种是由于温度升高,水中 所含有的冰晶逐渐融化,分子间的平 均距离减小,致使密度增大.在大气 压下,水温低于4?前,后一种效应 占优势;而水温高于4?后,前一种 春风难期信,托情明月光. 二二二 ? 效应占优势.设想一定质量的水,温 度从Oac逐渐升高到5oC,根据上面 的分析,水的体积将先减小后增大, 密度则先增大后减小,在4?时体积 最小,密度最大.实际上,温度越过 4?以后,冰晶会越来越少,直至消 失,水就进人到正常膨胀状态了. 【解释二】水由不断运动着的 水分子组成的,而水分子是有机分 子,即它的正,负电荷"重心"不重 合.在一般情形下,水并不是以单个 分子的形式存在的,而是由多个分子 相互吸引联在一起的.在O?时,由 3个分子联在一起组成分子团;当温 度升高到4?时,这种组合转化为两 个分子联合在一起的分子团,显然两 个分子组合的排列要I::h3个分子组合 的排列紧密些;当温度升高到4?以 上时,分子热运动加剧,动能增大, 图2 吸引在一起的两个分子又逐渐拆开为 单个分子,运动的范围更大了,导致 水分子间的平均距离变大,密度减 小.这3种状态,可以用图2来示 意.所以水在4?时密度最小. 上面两种观点虽然都解释了水 在4~C时密度最大这一现象,但在没 有经过实验严格验证之前,只能称为 科学假说,理论本身是否正确还有待 人们进一步研究.事实上,为解释自 然现象而提出假说,再用实验去验证 假说,从而得到正确的理论,正是科 学探究的一般过程. ……………量煮蔓