水为什么在4℃时密度最大

水为什么在4℃时密度最大 水为什么在4?时密度最大 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0?一4?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0? 加热到10?,水的体积是先减小后增大的,4?是 转折点,此时体积最小,密度最大.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 的水温降到0o(=,下面的水温则高于0o【=,从上向 下温度逐渐升高,河底温度在4?左右;密度则逐 渐增大,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”人在冰上走,鱼在冰下游” 的自然景象. 我们的问是,水为什么会出现反常膨胀现 象?或者说,为什么水在4?时密度最大呢?一般来 图1 密 度 增 大 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特殊排列有关.但要从分 子论的角度给出详细的解释,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,水中不完全是液态,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,每个分子都被四个分子所 包围,四个分子在空间构成一个四面体.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 在冰晶体中更自由些,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 大.科学家用X射线研究接近0?的水的结构时, 证实在液态水中存在着非常小的冰晶体.根据推 算,在接近0?的水中大约有0.6%的这种冰晶体. 当温度逐渐升高时,这些冰晶体逐渐被破坏,引起 了体积的减小,致使密度增大. 在温度4?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,水中所含有的冰晶体 逐渐熔解,分子间的平均距离减小,致使密度增 大.在1大气压(101.325千帕)下,水温低于4? Liketree,llkefruit.——羊毛出在羊身上. 前.后一种效应占优势;而水温高于4?后,前一种效应占优势.设想一定 质量的水.温度从0?逐渐升高到5?,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4ac时体积最小.密度最大.实际上.温 度越过4?以后.冰晶体会越来越少,直至消失,水就进人正常膨胀状态 了. 解释二 水由不断运动着的水分子组成.而水分子是有掇分子,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.c时,由三个分子联在一起组 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比三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,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.这三种状态,可以用图2来示意.所以水在4?时密度最大. 上面两种观点虽然都解释了水在4’E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. ?一?图2 《中学科技}2006年第5期”科学不倒问”思考题答案选登 答:1.做拈笔芯的材料是石墨.石墨具有屡状蛄构.具有屡向的良好导电性 2.在整个串联电路中.铅笔芯(即石墨)相当于一个可变电阻,随着温 虚变 化.起到滑动变阻嚣的作用. 3,决定导体电阻大小的固素有导体的长度(j),横截面积(s).制作导体 的材 料(p).其结果是水将酒 精拉向四周,原来被酒精占领的 地方出现了”干”的景象,好像红 水区被酒精打了一个洞.