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为什么水结冰会膨胀

时间: 小涛涛2 为什么

  冬天的时候,由于气温非常的低,我们经常可以见到水结冰的情况,而水结冰之后,体积就会变大,并且变得膨胀,这是由于科学的原理,相信许多朋友们都不太了解,下面就和小编一起来了解一下水结冰会膨胀的原因吧。

  为什么水结冰会膨胀?

  大多数物质都有热胀冷缩的特性,但有些物质在一定的温度范围里却会表现出相反的特性,即受热时收缩,遇冷时膨胀。具有这种反常膨胀特性的物质里,最常见的就是水,它在4℃以上或0℃以下都遵循热胀冷缩的规律,在0℃至4℃却表现冷胀热缩。4℃的水密度是最大的,越接近0℃,密度越小,水在结冰时,它的密度变得更小,因此冰总是浮在水面上。如果我们仔细观察水结冰的过程,会注意到冰首先是在水面出现的。

  水为什么会有这种反常膨胀现象呢?这和水的结构有关。大量水分子除了以单个形式存在以外,还会有多个水分子组合在一起,形成“缔合水分子”。水分子缔合时,相互间存在一种叫作“氢键”的相互作用,即不同水分子之间氧原子和氢原子的吸引作用。氢键具有一定的方向性,因此在单个水分子组合为缔合水分子后,水的结构发生了变化:一是缔合水分子中的各单个分子的排列更为有序,二是各个分子间的距离变大。

  水分子能否组合在一起成为“缔合水分子”,是与温度密切相关的,温度越高,缔合的程度越低;温度越低,缔合程度越高。常温下,有大约50%的单个水分子组合为缔合水分子。显然,缔合程度越高,水的结构就越松散,其密度就越低。然而,与此同时,温度还对水分子的热运动有影响,温度越高,热运动越快;温度越低,热运动越慢。这两种不同的作用,对水密度的影响是相反的。因此,谁占上风,就决定了水是热胀冷缩还是热缩冷胀了。

  在4℃以下时,缔合作用对于水的密度影响更大,这时水呈现出反常膨胀的特性;而当温度超过4℃时,则主要受热运动的影响,这时水的密度随温度升高而减小,即呈现热胀冷缩现象。

  值得一提的是,除了水之外,锑、铋、镓和青铜等物质在一定温度范围也有“反常膨胀”的特性。

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