水在4℃时密度最大,是由于水分子间有氢键缔合这样的特殊结构所决定的.根据近代X射线的研究,证明了冰具有四面体的晶体结构.这个四面体是通过氢键形成的,是一个敞开式的松弛结构,因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完,在冰中氢键把这些四面体联系起来,成为一个整体.这种通过氢键形成的定向有序排列,空间利用率较小,约占34％、因此冰的密度较小.
水溶解时拆散了大量的氢键,使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”(即由氢键缔合形成的一些缔合分子),故液态水已经不象冰那样完全是有序排列了,而是有一定程度的无序排列,即水分子间的距离不象冰中那样固定,H2O分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去.这样分子间的空隙减少,密度就增大了.
温度升高时,水分子的四面体集团不断被破坏,分子无序排列增多,使密度增大.但同时,分子间的热运动也增加了分子间的距离,使密度又减小.这两个矛盾的因素在4℃时达到平衡,因此,在4℃时水的密度最大.过了4℃后,分子的热运动使分子间的距离增大的因素,就占优势了,水的密度又开始减小.
生命获益于反常膨胀
我们知道,如果物体所受外界压力不变,大多数物体的体积都随温度的升高而增大,即热胀冷缩.与大多数物质的性质相反,在 0到4摄氏度的温度范围内,水的体积却随温度的升高而减小 ,这就是说,水在0到4摄氏度之间是冷涨热缩.水的这一反常性质,对江河湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义.
当寒冷的冬天来临后,随着气温的降低,江河湖泊中的水温也随之下降.考虑某一湖泊,设其全部湖水处于某一温度如10摄氏度,再设湖面上空气的温度为-10摄氏度,于是湖表面的水就会变冷,比如说温度降到9摄氏度,这部分水因变冷而收缩,其密度比底下较暖的水为大,因而沉入下面密度较小的水中,下面的 10摄氏度的水上升.冷水的下沉引起一个混合过程,此过程一直持续到湖泊中的所有水冷却到4摄氏度为止.但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温,表面水的温度进一步降低,又比如降到3摄氏度,这部分水的体积不但不缩小反而膨胀,即表面水的密度比下面小,因而就浮在水面上不再下沉.对流和混合此时都停止了(当然扩散不会停止),表面下的水基本上靠热传导散失内能.水是热的不良导体,这样散热是比较慢的.表面水的温度,先于下面的水降至0摄氏度、开始结冰.冰的密度比水小,所以一直浮在水面上而不下沉.冰下面的水,从上到下温度为0摄氏度到4摄氏度,从上到下逐渐结冰.由于通过热传导而向上散热,比较慢,并且有地热由底下向上传导,因此冻结的速度是缓慢的.若湖泊的水很深,湖水是不会被冻透的,湖泊中生存的动植物就可以在靠近湖底的4摄氏度的水中安然过冬,免遭冻死的厄运.
如果水的性质也像其它大多数物质那样,在全部温度范围内都是热胀冷缩的,那么温度较高的水不断升到水面,向空气散热,湖泊中水的冻结就会从底部开始,从而容易导致湖泊中的水全部冻结.这样一来,就毁掉了湖泊中的一切经不起冻结的生命.
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