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热胀冷缩,0℃时水的密度最大?其实4℃才是

时间:2022-05-09 02:14:09 热评 我要投稿

水有三种形态:及固态、液态、和气态。

这三种水的形态取决于水的温度变化。温度过低到达冰点形成固态。温度过高达到沸点形成气态。结余冰点和沸点之间温度的水为液态。

这三种水的形态,以气态密度最小,液态密度最大,固态冰密度居中而定。气态这个不用过多解释,固态我们也可以通过冰的漂浮得到定论。

这是由于物质分子的运动造成,分子的运动越快说明温度越高。所谓热胀冷缩。同质量下体积不一样,密度也就不一样。

那么,水在液态下,我们以水能保持液体最低形态的温度也就是冰点来说,这个时候水的密度是最大吗?

其实不然,研究发现,4℃时水才是密度最大的时候。为何会这样?我们先来了解水中一种奇特的相互作用力――氢键。

什么是氢键?氢键是一种分子与分子之间的特殊作用力。

比如水,水中的氢原子和一种电负性大的原子以共价键(一种稳定机构)结合。结合后假设为A。当A靠近另一种电负性同样大,半径小的原子(假设B)后。那么AB之间就会产生相互作用,这就是所谓氢键。

氢键的多少和有无对于物质本身的性质有很大影响。你比如从密度,溶解性,粘性之类都有很大的区别。

氢键一般在物质液态时生成。氢键的存在和温度分子之间的运动速率密不可分。

液态水时,氢键生成。当温度升高,水分子的运动速率加快时,这个时候水本身就无法生成氢键,原本存在的氢键也会被破坏。

而温度过低,水分子运动速率下降时,这个时分子运动根本破坏不了氢键,这个时候氢键开始发挥它的作用。它把水分子结起来形成有规则的空间结构。在一个晶格中,四个氢原子在正四面体的顶点上,一个氧原子位于四面体的中心。

这种情况下也就是到达冰点结冰了。由于氢键作用形成的这种晶体结构使分子之间间隙变大,导致冰的体积比水大,密度也就变低。

氢键作用下的晶体结构,不用零度就已经开始。在氢键的作用下,水分子要形成这种结构,前面我已经说了,首先一个就是要在低温状态,分子运动的速率小,保证氢键不被分子运动破坏的情况下。

但这个温度并不需要零度。根据研究表明,当温度低于4度的时候,其实氢键已经开始发挥它的作用,水中就已经开始形成冰晶格了。

这里很多朋友会说,我观察水在4℃的时候,水仍然是液态状,并没有结冰现象发生啊。

其实冰晶确实已经产生了,结冰是液态水的完全固态化,这种情况只是还没有达到所有液体都结冰的情况,我们肉眼是无法看见的。借助于显微镜,你就会发现,水体之中其实已经充斥了很多冰晶了。

由于冰晶的存在。会占据水体的一定空间。所以这个时候水的密度反而变大了。

4摄氏度时,恰好是一个分水岭。这个温度是水保持完全液态状时最低温度,当然密度也是最大的。