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水是液体，冰是固体。为什么冰的密度比水还小？

2019-04-01 10:22:37王***
如题。水是液体，冰是固体。为什么冰的密度比水还小？,如题。冰比水轻，大家井不觉得奇怪，其实是一件非常奇怪的事。　　咱们把一团

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  •   冰比水轻，大家井不觉得奇怪，其实是一件非常奇怪的事。 　　咱们把一团猪油放在锅子里，等它熔化了，再加进一团去。这团凝固的猪油，一定沉到熔化的猪油 下面，决不会浮在面上。 　　在锅子里熔锡也一个样。锡块总是沉在融锡下面。差不多所有的物质都一个样，在固态的时候，密 度都比在液态的时候大。
       　　冰的密度反而比水小，所以能浮在水面上。在自然界中，这种情形是很少见的。 　　为什么冰的密度反而比水小呢？原因只有一个，就是水在结冰的时候，体积增大了，违背了“热胀冷 缩”的常规。 　　水在结冰的时候体积会膨胀，这倒是大家都知道的常识。
      冬天到来之前，我们把放在露天的水缸齐 口埋在地面下，盖上稻草编成的缸盖，就为的提防水结了冰会把水缸胀破。 　　有人做过这样的试验：冬天，他在两个炸弹的钢壳里灌满了水，用木塞塞紧了，放在露天过了一夜 。第二天早上去看，一个炸弹壳的木塞给冰冲到了六七米以外，口子里长出一条冰柱；另一个炸弹壳裂 了一道缝，冰从裂缝里挤了出来。
       　　到了冬天，放在露天的瓦缸都应该倒扣过来，免得积了水会冻裂。露天的自来水管得用稻草包扎起 来，结了冰放不出水来还是小事，冻裂了损失可大了。不能耐寒的花树果树和幼小的苗木，也得用稻草 包扎。树木的细胞里含的水要是结了冰，会把细胞膜胀破，植物的组织就给破坏了。
       　　到了冬天，砖墙外层涂的水泥往往会整块整块往下掉；水泥铺的场地路面往往会裂缝，甚至拱了起 来；都是冰在作怪。水泥只要稍稍有点儿裂缝，雨水就会渗进去；要是一结冰，体积一膨胀，就把水泥 给破坏了。 　　岩石崩裂也是这个道理。岩石的裂缝里积了水，冬天一结冰，体积一膨胀，就把裂缝撑大一点儿； 第二年，裂缝里积的水更多了，结了冰，裂缝就撑得更大了。
      这样年复一年，大块的岩石就从山上崩下 山来了。 　　如果水结冰的时候体积不膨胀，对于我们来说，不就减少了许多麻烦和损失吗？初初想来，这话似 乎很有道理，可是再一想，水结冰的时候体积如果收缩，冰的密度不就比水大了吗？不就要沉到水底下 去了吗？水面上没有冰，固然可以不妨碍航行，可是水一结冰就沉底，上层的水受了冷不是又要结冰吗 ？水底的冰越积越多，最后所有的江河湖海，都非连底冻结不可了，而且永远不会融化。
      太阳的热是达 不到海洋的底层的，海洋里的植物动物当然都无法生存。我们知道，陆地上的植物动物最初都是从海边 爬上岸来的。海洋连底冻结成冰，陆地上会不会有生物也成了问题。这样一比较，你一定会作出正确的 判断来了。 　　冰不但密度比水小，还不容易传热。
      水面上结了冰，能保护下层的水，使下层的水冻结得稍稍慢一 点儿。即使较小的池塘河沟，到了冬天连底冻结还是很少见的。连北冰洋的厚厚的冰块下面，海水还照 常流动，鱼还在自由自在地游泳。 　　水在结冰的时候体积要膨胀，如果硬不让它膨胀，温度即使降到0℃以下，水仍旧结不成冰。
      换句话 说，水受了压力，凝固点就会降低。有人把水放在坚固的钢筒里做过实验，证明了这个设想。 　　咱们没有钢筒，也可以证明水受到了压力会降低凝固点。在冬天，我们找一大块冰来，把它搁在两 张桌子之间。拿一条铁丝弯成个环，拦腰套在冰块上。
      铁丝环下面挂个沉甸甸的秤锤。我们会看到铁丝 会慢慢地往下扣进冰块。可是铁丝k面的冰仍旧结得好好的，没有被铁丝扣过的痕迹。这是怎么回事呢？ 原来铁丝环下面挂着个秤锤，它扣在冰块上的压力是很大的，受压的一部分冰就化成水了。铁丝再往下 扣，它上面的水失去了压力，立刻又结成了冰。
       　　溜冰就利用了这个原理。冰鞋底上有一双冰刀，我们全身的重量，都在这双薄薄的冰刀上。冰刀加 在冰上的压力是很大的，使冰化成了水。冰刀和冰之间有了这一薄层水，像加了润滑剂似的，就可以顺 利地向前滑行了。玻璃比冰更滑溜，可是没有人能穿了冰鞋在玻璃上溜的，就因为玻璃受了压力不会融 化。
       水在4 ℃时密度最大，冰的密度反而比水小（附图） 由于水分子有很强的极性，能通过氢键结合成缔合分子，如以下的结构式（虚线表示氢键）。 液态水，除含有简单的水分子（H2O）外，同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等，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，当温度升高到3。
      98 ℃（101 kPa）时，水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在，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。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），如下图所示。
      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。 水分子间以氢键连接 另外，拆散缔合分子需要消耗一定的能量，这也足以说明为什么水有较大的比热容的缘故。 。
    2019-04-01 10:29:47
  • 因为水结冰了,体积会增加,所以密度就变小了,对吧?
    2019-04-01 10:50:50
  •   在一般情况下，当物体的温度升高时，物体的体积膨胀、密度减小，也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。然而水在由0℃温度升高时，出现了一种特殊的现象。人们通过实验得到了如图2－3所示的P－t曲线，即水的密度随温度变化的曲线。由图可见，在温度由0℃上升到4℃的过程中，水的密度逐渐加大；温度由4℃继续上升的合过程中，水的密度逐渐减小；水在4℃时的密度最大。
      水在0℃至14℃的范围内，呈现出“冷胀热缩”的现象，称为反常膨胀。水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释。 物质的密度由物质内分子的平均间距决定。对于水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变大，所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合的单个水分子个数决定。
      具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。综合考虑两个因素的影响，便可得知水的密度变化规律 在水中，常温下有大约50％的单个水分子组合为缔合水分子，其中双分子缔合水分子最稳定。
      图2－4为双分子、三分子、多分子缔合水分子的示意图。 多个水分子组合时，除了呈六角形外（如雪花、窗花），还可能形成如图2－5所示的立体形点阵结构（属六方晶系）。每一个水分子都通过氢键，与周围四个水分子组合在一起。图中只画出了中央一个水分子同周围水分子的组合情况。
      边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子组合，形成一个多分子的缔合水分子。由图可知，缔合水分子中，每一个氧原子周围都有——4个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧原子之间是共价键，组成水分子；另外两个氢原子属于其他水分子，靠氢键与这个水分子组合在一起。
      可以看出，这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分于排列得比较松散，分子的间距比较大。由于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排列有序，二是各分子间的距离变大。 在液态水变成固态水时，即水凝固成冰、雪、霜时，呈现出缔合水分子的形状。
      此时，水分子的排列比较“松散”，雪、冰的密度比较小。 将冰熔化成水，缔合水分子中的一些氢键断裂，冰的晶体消失。0℃的水与0℃的冰相比，缔合水分子中的单个水分子数目减少，分子的间距变小、空隙减少，所以0℃的水比0℃的冰密度大。用伦琴射线照射0℃的水，发现只有15％的氢键断裂，水中仍然存在有约85％的微小冰晶体（即大的缔合水分子）。
      若继续加热0℃的水，随着水温度的升高，大的缔合水分子逐渐瓦解，变为三分子缔合水分子、双分子缔合水分子或单个水分子。这些小的缔合水分子或单个水分子，受氢链的影响较小，可以任意排列和运动，不必形成如图2－4、图2－5那样的“缕空”结构，而且单个水分子还可以“嵌入”大的缔合水分子中间。
      在水温升高的过程中，一方面，缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐加大，水分子的堆集程度（或密集程度）逐渐加大，水的密度也随之加大。另一方面在这个过程中，随着温度的升高，水分子的运动速度加快，使得分子的平均距离加大，密度减小。考虑水密度随温度变化的规律时，应当综合考虑两种因素的影响。
      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，为反常膨胀。 水温超过4℃时，同样应当考虑缔合水分子中的氢键断裂、水分子运动速度加快这两个因素，综合分析它们对水密度的影响。
      由于在水温比较高的时候，水中缔合数大的缔合水分子数目比较小，氢键断裂所造成水密度增加的影响较小，水密度的变化主要受分子热运动速度加快的影响，所以在水温由4℃继续升高的过程中，水的密度随温度升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。 在4℃时，水中双分子缔合水分子的比例最大，水分子的间距最小，水的密度最大。
       因此水结成冰时的这种反常膨胀并不对应分子热能的增大。 。
    2019-04-01 10:26:23
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