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水变成冰为什么体积变大呢 是什么原因

2022-12-29 13:44:43文/陈宇航

水变成冰体积变大,是因为液态水中水分子之间存在着较强的氢键作用力。它比分子间的作用力(范得瓦耳斯力)大得多。当水处于液态时,在氢键力的作用下,水分子靠近,在宏观上就表现为体积小。而变为固体时,水变为晶体,分子排列有了规律,氢键的作用力削弱,宏观的表现为体积变大。

水变成冰为什么体积变大呢 是什么原因

水变成冰体积变大的原因

由于水分子是极性很强的分子,能通过氢键结合成缔合分子(多个水分子组合在一起)。液态水,除含有简单的水分子外,同时还含有缔合分子,最典型的两种是(H₂O)₂和(H₂O)₃,前者称为双分子缔合水分子。物质的密度由物质内分子的平均间距决定。

当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以(H₂O)₃的缔合分子存在,当温度升高3.98℃(101kPa)时水分子多以双分子缔合水分子的形式存在,分子占据空间相对减小,此时水的密度最大。如果温度再继续升高在3.98℃以上,一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。

在水温由0℃升至4℃的过程中,由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用,比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大,所以在这个过程中,水的密度随温度的增高而加大。

水温降到0℃时,水结成冰,水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子,在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键,两个氢键),这样一种排布导致成一种敞开结构,也就是说冰的结构中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小。

水结冰的过程

水结冰其实是一种结晶的现象,结晶首先需要有凝结核,然后凝结核不断长大,最终长成大块晶体。其实水结冰的过程并不简单,不是说温度降低到0℃,水就会结冰的,还需要水中含有一些小微粒,作为水分子刚开始结冰时的附着物,水中含有的这种小微粒又叫晶核。

水分子的排列往往让氧原子朝外,氢原子朝内,而氧原子略带负电,因此喜欢周围是正电的环境。如周围的环境带正电,温度又是低于0℃,那么水就容易结冰,不管水中有没有晶核。

在更高的温度下开始结冰过程,水分子还需要一些其他的东西,比如灰尘、煤烟或其他杂质,这样水分子就可以在上面形成晶格,这就是成核的过程。

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