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固态冰化成液态水后体积为什么会变小呢?

来源:未知作者:武群 点击:所属专题: 氢键 冰的结构
从分子动理论可知,组成物体的分子间存在着相互作用的引力和斥力,且分子在不停的做无规则运动;若分子的能量比较小,分子间的作用力会将其固定在平衡位置附近振动,此时物体宏观上就表现为有一定的形状和体积,这就是固体;当温度上升时,固体分子获得能量越来越多,分

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    从分子动理论可知,组成物体的分子间存在着相互作用的引力和斥力,且分子在不停的做无规则运动;若分子的能量比较小,分子间的作用力会将其固定在平衡位置附近振动,此时物体宏观上就表现为有一定的形状和体积,这就是固体;当温度上升时,固体分子获得能量越来越多,分子运动越来越剧烈,分子间的作用力很难再束缚它们,于是它们会发生移动,在其它分子间滑来滑去,即它们振动的平衡位置会随时移动,于是固体就熔化为液体,因此液体宏观上就表现为有一定体积而无一定形状。

    问题解决:固体分子的结构比较紧密,分子间空隙很小,一旦固体熔化了,由于分子振动的平衡位置不固定,会随时移动,在移动过程中不可避免的会发生拥挤和碰撞,这种碰撞的总效应就是迫使所有分子分开的再远一些,使分子间空隙变大,宏观上表现为体积增大,即物体膨胀。(大部分固体熔化后体积会改变10%)因此,一般来说,固体熔化后体积会增大。

    然而,水分子具有特殊的结构,水分子间的结合是靠氢键,冰也是一种典型的氢键晶体。由于氢键作用,使得冰晶体中每一个分子周围都有四个紧邻的分子,分子间靠氢键结合,形成一个巨分子,每个巨分子都是以氧原子为中心的四面体,氧原子位于四面体中心和顶角上,氢原子位于两个氧原子之间,这样疏松的结构,必然会形成一些“空穴”,在0℃冰开始熔化时,分子获得能量,部分氢键被破坏,打破了松散的排列,分子开始独立的运动,进行通常的拥挤和碰撞,这就使一些分子进入“空穴”,宏观上就表现为体积变小。所以冰化成水后体积会减小。(1立方米冰化成水后仅为0.9立方米)

    当冰全部化为水后,氢键并没有全部被破坏,还保留着一些四面体巨分子结构和其它一些不完整的四面体结构,如:三分子集团、二分子集团等较疏松的结构。当温度从0℃开始升高时,更多的氢键被破坏,使更多的分子进入“空穴”,宏观上表现为水的体积越来越小,当温度达到4℃以后,温度再升高,液态水正常原因的膨胀将超过氢键破坏导致的体积收缩,此后水就开始表现为正常的膨胀。所以在0℃-4℃之间水表现为“热收缩”现象,由此我们还可推知4℃的水密度最大。正是由于水、冰的这些特殊性质,自然界中才出现了一些奇怪的现象:冬天湖水结冰后,湖上温度达到了-15℃,而湖底的鱼却不会被冻死,因为那里的水温高达4℃;而浮在湖面上的冰全部化为水后,湖上水位却不升高等等。

(责任编辑:化学自习室)
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