淺析水的體積及密度隨溫度變化的反常現象

韓文娟　龍琳

摘 要：本文以4℃為界、降低水溫為序，從微觀上分析水分子的締合作用來討論水的密度及體積隨溫度的反常變化原因，讓學生對水的體積及密度隨溫度變化的反常現象形成清晰的認識以更好地理解相關自然現象。

關鍵詞：水;體積;密度;變化;分析

一、引言

《熱學》教學中，學生對水的體積及密度隨溫度的反常變化原因不太了解，比如為何大多數物體都熱脹冷縮，溫度越高，體積越大，物質的密度越小，而水熱脹冷也脹，高于4℃或低于4℃時，體積都會膨脹，在4℃時，體積最小密度最大。就此本文以4℃為界、降低水溫為序，從微觀上分析水分子的締合作用來討論水的密度及體積隨溫度的反常變化原因，以讓學生對水的體積及密度隨溫度變化的反常現象形成清晰地認識，從而促進教學。

二、分析水的密度及體積隨溫度的變化情況

（一）4℃以上的水（低于100℃的液態水）的密度及體積隨溫度的變化情況

H2O分子是極性分子[1]，H2O分子中的兩個O—H鍵間的鍵角為104.5°，H2O分子中每個氫原子都參與形成氫鍵，使H2O分子之間構成一個四面體型的骨架結構，每一個氧原子周圍有4個氫原子，其中2個H是與O共價結合，另外2個H離得稍遠，通過氫鍵與O鍵合，形成一個有很多“空洞”的結構，這種由若干個簡單分子聯成復雜分子而又不會改變原物質化學性質的現象，稱為分子締合，液體分子間若形成氫鍵就有可能發生締合現象，分子締合的結果則會影響液體的密度。H2O分子之間有締合現象， 常溫下液態水中除了簡單H2O分子外，還有（H2O）2，（H2O）3，…，（H2O）n等締合分子存在。溫度降低，液態水流動性變弱，H2O分子間氫鍵不易破壞，締合程度增加。溫度為4℃以上的水（低于100℃的液態水）中有兩種使密度發生改變的因素：（1）溫度降低，液態水的分子熱運動減弱，分子間的平均距離減小，水體積減小，水的密度增大;（2）溫度降低，水中所含有的冰晶體不容易熔解，分子間的平均距離增大，水體積增大，水的密度減小。在一大氣壓下，低于100℃的液態水降至水溫為4℃的溫度段（不包括4℃），第一種因素占優勢，所以一般水的溫度越低，密度越大。

（二）4℃的水密度最大

低于100℃的液態水降至水溫為4℃時，此時締合作用最大，這些H2O分子堆積最緊密，此時水摩爾體積最小，從而水有最大的密度。

（三）4℃以下的水的密度及體積隨溫度的變化情況

由簡單分子結合成較復雜的分子集團而不引起物質化學性質改變的過程，稱為分子的締合，締合是放熱過程，相反的過程稱為離解，離解是吸熱過程。溫度降低，平衡向放熱方向移動，即平衡向右移動，水的締合程度增加（n增大），水的締合作用增大。反之，溫度升高，平衡向吸熱方向移動，即平衡向左移動，水的締合程度降低（n減小），離解程度增加。

溫度為4℃以下的水，水中也有兩種使密度發生改變的因素：（1）溫度降低，液態水的分子熱運動變緩，分子間的平均距離減小，水體積減小，致使水的密度增大;（2）溫度降低，水的締合程度增加，水中所含有的冰晶體逐漸形成，分子間的平均距離增大，水體積增大，致使密度減小。在1大氣壓下，水溫低于4℃時，后一種因素占優勢。

（四）4℃與0℃水密度的比較

水的溫度從4℃降至0℃時，全部分子締合成一個巨大的、有較大空隙的締合分子、宏觀上結成巨大的締合物——冰。據推算，在接近0℃的水中大約有0.6%的冰晶體，溫度繼續降低時，出現較多的（H2O）3及具有冰結構的較大的締合分子，它們結構較疏松，這些冰晶體的逐漸形成引起了體積增大，致使密度減小。所以0℃比4℃的水密度小。

（五）比較0℃的水與0℃冰的密度

當0℃水凝結為冰時，熱運動能減小，形成了四面體結構的氫鍵[2-3]締合空隙，體積變大，所以0℃的冰要比0℃水的密度大，這就是水結冰體積膨脹的反常現象。

三、結論

從微觀上分析水分子的締合作用來討論水的密度及體積隨溫度的反常變化原因，以讓學生對水的水熱脹冷也脹的反常現象形成清晰地認識，從而更好地理解寒冷地區的江河水體不會完全凍到最底層，水中的生物才能熬過冬天，得以越冬等這些自然現象，從而促進教學。

參考文獻

[1] 秦允豪.熱學第四版[M].北京：高等教育出版社，2018.337.

[2] 秦允豪.熱學第二版[M].北京：高等教育出版社，2004.161-172.

[3] 李椿.熱學第二版[M].北京：人民教育出版社，2010.168-183.