冰的密度为什么比水小

冰的密度为什么比水小 滨州实验学校 王国宾 自然界中几乎所有物质都是热胀冷缩，这就使得物质在固态时的密度大于液态。因此如果我们把同种物质的固体放入其液体中，固体就会沉到液体的下面。然而如果我们把固态的水(冰)放入液态水中，冰却会浮在液态水上面而不会沉下去。这是一种在自然界中极其罕见的现象，然而它又那么平常。因为人们已经习以为常了。也许人们会说:如果水也像其他物质那样该多好，那样即使在冬天，水结成冰以后立即沉下去，面的水仍然是液态，不会影响上面水的流动和船的行驶了。可是仔细一想，如果水结成冰立即沉下去，表面的水就会立即结冰再沉下去，周而复始所有的水岂不是最后都结成冰了，水中的生物就会全部死亡。如果在地球两极极其寒冷的地方，就不是我们现在看到的巨大的冰山或冰盖漂在水面上了，而是所有的海水最后都会结成冰，所有的海洋生物将会全部死亡。而海水将不再融化，因为冰要想融化需要吸收大量的热(至于为什么吸受大量热下面还要介绍)，而太阳光的热量是无法到达那么深的海底的。 为什么冰的密度比水小，这要从水的组成说起，水是由氢氧两种元素组成的，水的化学式是HO，结构理论的研究和精确测定表明，水分子呈V形结构，2 两个O-H键之间的夹角为104.5º，因此水分子不是一个呈线性对称结构的分子，分子中的正负电荷重心不重合，同时由于氧的电负性大氢，吸引电子的能力强，使得氧原子一端带负电荷，靠近氢原子的一端带正电荷，因此水分子是一个极性分子。对水蒸气相对分子质量的测定发现，它基本上符合水的最简式HO的2相对分子质量。可知水在蒸气状态下主要以单分子状态存在。气态的水分子之间距离较大，排列不紧凑，因而密度小。对液态水的相对分子质量测定发现，相对分子质量比蒸气状态下偏高，这说明在液态水中存在着简单水分子相互结合成的复杂水分子(HO)n，n=2、3、4???。这种由简单分子结合成比较复2 杂的分子而不引起物质化学性质改变的过程叫做分子的缔合。水分子的缔合是由水分子间的氢键所引起的。[下面先对氢键做一简单介绍。在共价化合物分子 中存在两种作用力，1是范德华力—因荷兰物理学家范德华首先对分子间作用力进行系统研究而命名;2是氢键;氢键是一种比范德华力强的分子间作用力。氢键分为分子内氢键与分子间氢键两种，引起水分子缔合的是分子间氢键，在 —H???Y中虚线所代表的即为分子间氢键，X、Y通常为F、N、O三种元式X 素。通常所说的键能即指断开虚线部分所需要的能量。分子间氢键的存在使相应共价化合物的熔沸点变高，因为要使固体熔化或液体气化，除有一部分能量需要克服范德华力外，还需要更多的能量用于破坏分子间氢键。如第?A族元素氢化物的熔沸点分别是HO(熔点273k—0?，沸点373k—100?);HS(熔22点187k—零下86?，沸点212k—零下61?);HSe(熔点212.8k—零下2 60.2?，沸点232k—零下41?);HTe(熔点224k—零下49?，沸点271k—2 零下2?);可见水的熔沸点是最高的。水的比热容是所有液态和固态物质中 最大的。也与分子中的缔合作用有关。] 水分子的缔合是一个放热过程，而其相反过程即缔合分子的解离则是一个吸热过程。这两个过程在一定条件下达到动态平衡。升高温度，水的缔合程度降低，因此在高温时水主要以单分子状态存在。降低温度时，水的缔合程度增大，当温度降至273k(0?)时，全部水分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，这就是冰。在冰的结构中，每个水分子通过氢键与其他四个水分子相连结，构成四面体，无限多个四面体彼此通过氢键连结成庞大的分子。冰的结构不紧凑，其结构中具有较大的空隙，因而密度比液态水小。水的密度在276.98k(3.98?)时最大，低于或高于这个温度，水的密度都变小。水的密度随温度变化所表现出的异常现象就与水分子的缔合作用有关。当温度在276.98k(3.98?)以上时，随着温度的降低，分子的热运动减小，分子间距离变小，同时水的缔合度增大，出现较多的(HO)缔合分子，分子排列紧密，22 这两个因素都导致水的密度增加。当温度在276.98k(3.98?)以下时，随着温度的降低，水的缔合度继续增大，(HO)缔合分子逐渐增多，并开始出现23 类似冰结构的较大缔合分子，使水的体积变大，因而密度减小。因此水的密度在276.98k(3.98?)最大，为1g/ml。