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在一般情況下,當(dāng)物體的溫度升高時,物體的體積膨脹,、密度減小,也就是通常所講的“熱脹冷縮”現(xiàn)象.然而水在由0℃溫度升高時,出現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象.人們通過實(shí)驗(yàn)得到了如圖2－3所示的P－t曲線,即水的密度隨溫度變化的曲線.由圖可見,在溫度由0℃上升到4℃的過程中,水的密度逐漸加大,；溫度由4℃繼續(xù)上升的合過程中,水的密度逐漸減??；水在4℃時的密度最大.水在0℃至14℃的范圍內(nèi),呈現(xiàn)出“冷脹熱縮”的現(xiàn)象,稱為反常膨脹.水的反常膨脹現(xiàn)象可以用氫鍵,、締合水分子理論予以解釋. 水在攝氏4度時密度最大之謎 多年來,科學(xué)家通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn),一直在進(jìn)行水的非晶態(tài)多樣性研究.水通常在攝氏零度時結(jié)冰.但水在攝氏零度以下時也可保持液體狀態(tài),稱作過冷卻水.當(dāng)過冷卻水到達(dá)臨界點(diǎn)以下時就會分離出兩種狀態(tài),既低密度水和高密度水.與此相對應(yīng),也存在低密度和高密度兩種非晶態(tài)冰.由于水在低溫時易于結(jié)冰,也由于沒有非晶態(tài)冰之間互相轉(zhuǎn)移的現(xiàn)存理論,水的非晶態(tài)多樣性學(xué)說存在很多爭論.其中之一就是兩種密度的非晶態(tài)水是否會發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)移. 日本科學(xué)家的這項(xiàng)研究,觀察了高密度非晶態(tài)冰（HDA）向低密度非晶態(tài)冰（ LDA）變化的過程.發(fā)現(xiàn) H DA在零下158攝氏度以下時整體均一膨脹,在零下158攝氏度時隨著不均一的體積變化迅速向 L DA轉(zhuǎn)移.在轉(zhuǎn)移過程中,出現(xiàn)兩種成分共存狀態(tài),隨著時間推移,H DA和LDA逐漸分離.研究證實(shí),低溫下兩種水之間的轉(zhuǎn)移是不連續(xù)的. 科學(xué)家認(rèn)為,這項(xiàng)研究成果是揭開水領(lǐng)域各種問題的重大突破,將對今后過冷卻水等研究產(chǎn)生重大影響,同時將帶動對同溫層中的云的研究及在冰點(diǎn)下活動的動植物細(xì)胞內(nèi)存在的過冷卻水的研究.如果今后能夠控制這兩種水的臨界點(diǎn),就可以自由控制水的結(jié)晶,對人類控制地球環(huán)境和開發(fā)生物冷卻保存技術(shù)極有價值. 和氫鍵有關(guān) 液態(tài)水,除含有簡單的水分子(H2O)外,同時還含有締合分子(H2O)2和(H2O)3等,當(dāng)溫度在0℃水未結(jié)冰時,大多數(shù)水分子是以(H2O)3的締合分子存在,當(dāng)溫度升高到3.98℃(101kPa)時水分子多以(H2O)2締合分子形式存在,分子占據(jù)空間相對減小,此時水的密度最大.如果溫度再繼續(xù)升高在3.98℃以上,一般物質(zhì)熱脹冷縮的規(guī)律即占主導(dǎo)地位了.水溫降到0℃時,水結(jié)成冰,水結(jié)冰時幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子,在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子為近鄰(兩個共價鍵,兩個氫鍵),如圖所示.這樣一種排布導(dǎo)致成一種敞開結(jié)構(gòu),也就是說冰的結(jié)構(gòu)中有較大的空隙,所以冰的密度反比同溫度的水小. 另外,拆散締合分子需要消耗一定的能量,這也足以說明為什么水有較大的比熱的緣故 這里所說的“締合分子”就是因?yàn)闅滏I而形成的. 氫鍵形成的主要原因是陰離子奪取電子的能力很強(qiáng),使非同分子的氫原子也向它靠近,它是一種比分子間作用力強(qiáng)的多的力,因而可以使很多分子集中在一起,形成超大規(guī)模的分子集團(tuán),可使物質(zhì)的融沸點(diǎn)升高. |
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