为何水在冰冻时会膨胀？科学百科88期解析

文章编号：13935 / 更新时间：2024-03-02 20:30:29 / 浏览：次

本期为大家带来：《你知道吗——现代科学中的100个问题》本书是阿西莫夫的杰出作品之一。作者以通俗的措辞，深入浅出地解了现代科学中的一百个尖端议题。其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿领域，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。作者对这些问题的来龙去脉、它目前处于何种状态、是否有望得到解决等问题均作了回答。

第八十八个问题：水冻结时为什么会膨胀？我们可以先问一问：固体为何会是固体液体为什么会是液体？一种物质的各分子之间存在着一定的吸引力，这种吸引力能够把这些分子牢固地保持在某一固定位置上。人们很难把这些拉开，这种物质就是固体。然而分子含有动能，它们会在它们的固定位置附近振动。当温度上升时，这些分子获得越来越多的能量，振动得猛烈；最后，它们获得非常多的能量，以致别的分子的引力再也不能抓住它们了。它们摆脱了控制，并且自行跑开，在其他分子周围滑来滑去。于是固体熔化了，它就变成了液体。大多数固体是结晶状的。那就是说，各分子不仅依然固定在它们的位置上，而且是固定在规则的位置上，排成列。当分子获得足够的能量而跑开时，这种规则性就被打破，固体就熔化了。通常结晶状固体中各分子的规则配置是一种紧密的配置。各分子塞在一起，它们之间几乎没有空隙。不过，一旦这个物质熔化了，彼此之间来回滑动的分子就互相拥挤和推撞。这种推撞的总效应就是迫使所有的子分开得再远一点。这时物质就膨胀，它的密度就减小。于是，一般说来，液体的密度比固体低。换一种方式来说，固体熔化时膨胀，而液结时收缩。不过，问题有很大一部分取决于分子在固体中是怎样配置的。例如，在冰中，水分子排列成一种异常松散的形式。水分子排成三维的图案种图案实际上留下了一些空穴。当温度上升时，分子打破了松散的排列，开始独立地运动，进行通常的拥挤和推撞。这种运动会使各分子分开把它们推到空穴中去。由于填满了空穴，液态水占有的空间比固态冰少，而不管分子如何拥挤。当1立方米的冰融化时，仅形成0.9方米的水。由于冰的密度不及水大，所以它漂浮在水上。1立方米的冰会在水中下沉，直至0.9立方米的冰沉至水面以下为止。这个冰块排的0.9立方米的液态水的重量跟1立方米冰的重量一样。如今冰被水浮起来了，剩下0.1立方米的冰留在水面以上。对冰来说一般都是这。任何一块冰将浮在水面上，它大约有十分之一在水面以上，十分之九在水面以下。一般来说，这对于生命是非常幸运的。由于事情就是如此，因此水形成的冰停留在一片水体的顶部，它把较低的深层隔开，使得从下面逸出的热量有所减少。结果，较深的水通常不冻结，甚至在非常冷气条件下也不冻结。同样，漂浮的冰在较暖的气候里接受太阳的全部影响，并且很快融化。如果冰的密度大于水，那么，当它形成时，它就会沉到，结果就有更多的水会冻结。处在水体底部的冰就没有机会吸收太阳的温暖而融化。如果冰的密度大于水，那么，我们地球上的水源就会几是冻结的，即使地球离开太阳并不比现在更远。

水结冰后体积为何会膨胀？这岂不是与热胀冷缩相矛盾吗？

热胀冷缩只是总结大多数现象，并不等于绝对正确。水在受冷，里面产生化学反应，使得无规则的排列变得有规则。也就是水不在那么密集的密度，变得松散，其实质量已经变了，只不过很细微的变化。矿泉水结冰膨胀，因为容器的局限性，膨胀受限制，于是产生压力，瓶子内水结冰对空气的压力远大于空气对水的压力，于是空气被挤了出来。融化后，内部缺失的空气产生收缩的力，无法从瓶口收入空气于是会变形。科学有个道理是，冷会使物体活性降低，不光人肉体，不过人受冷会精神，更多的是肉体为了对抗冷而使得大脑与肉体更活跃。反之也一样。这是冷让你精神反而活跃起来，但和冷降低活性并不冲突。水分子等在受冷于是活跃度降低，使得他们结合在一起，更好的传热。产生排列顺序。出现空隙，但这正好代表受冷后分子乃至粒子都不爱运动了。绝对零度里，粒子的运动降低到极限，会产生粒子在世界里最基础的运动，我记得。

为什么水结冰会发生反常膨胀现象

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。水在摄氏4度时密度最大之谜多年来，科学家通过理论计算与实验，一直在进行水的非晶态多样性研究。水通常在摄氏零度时结冰。但水在摄氏零度以下时也可保持液体状态，称作过冷却水。当过冷却水到达临界点以下时就会分离出两种状态，既低密度水和高密度水。与此相对应，也存在低密度和高密度两种非晶态冰。由于水在低温时易于结冰，也由于没有非晶态冰之间互相转移的现存理论，水的非晶态多样性学说存在很多争论。其中之一就是两种密度的非晶态水是否会发生连续转移。日本科学家的这项研究，观察了高密度非晶态冰（HDA）向低密度非晶态冰（ LDA）变化的过程。发现 H DA在零下158摄氏度以下时整体均一膨胀，在零下158摄氏度时随着不均一的体积变化迅速向 L DA转移。在转移过程中，出现两种成分共存状态，随着时间推移， H DA和LDA逐渐分离。研究证实，低温下两种水之间的转移是不连续的。科学家认为，这项研究成果是揭开水领域各种问题的重大突破，将对今后过冷却水等研究产生重大影响，同时将带动对同温层中的云的研究及在冰点下活动的动植物细胞内存在的过冷却水的研究。如果今后能够控制这两种水的临界点，就可以自由控制水的结晶，对人类控制地球环境和开发生物冷却保存技术极有价值。和氢键有关液态水，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℃(101kPa)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。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的缘故这里所说的“缔合分子”就是因为氢键而形成的。氢键形成的主要原因是阴离子夺取电子的能力很强，使非同分子的氢原子也向它靠近，它是一种比分子间作用力强的多的力，因而可以使很多分子集中在一起，形成超大规模的分子集团，可使物质的融沸点升高。