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(xué)生對(duì)水的體積及密度隨溫度變化的反常現(xiàn)象形成清晰的認(rèn)識(shí)以更好地理解相關(guān)自然現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：水;體積;密度;變化;分析

一、引言

《熱學(xué)》教學(xué)中，學(xué)生對(duì)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(shù)物體都熱脹冷縮，溫度越高，體積越大，物質(zhì)的密度越小，而水熱脹冷也脹，高于4℃或低于4℃時(shí)，體積都會(huì)膨脹，在4℃時(shí)，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(xué)生對(duì)水的體積及密度隨溫度變化的反?，F(xiàn)象形成清晰地認(rèn)識(shí)，從而促進(jìn)教學(xué)。

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(tài)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(gè)O—H鍵間的鍵角為104.5°，H2O分子中每個(gè)氫原子都參與形成氫鍵，使H2O分子之間構(gòu)成一個(gè)四面體型的骨架結(jié)構(gòu)，每一個(gè)氧原子周圍有4個(gè)氫原子，其中2個(gè)H是與O共價(jià)結(jié)合，另外2個(gè)H離得稍遠(yuǎn)，通過氫鍵與O鍵合，形成一個(gè)有很多“空洞”的結(jié)構(gòu)，這種由若干個(gè)簡(jiǎn)單分子聯(lián)成復(fù)雜分子而又不會(huì)改變?cè)镔|(zhì)化學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)象，稱為分子締合，液體分子間若形成氫鍵就有可能發(fā)生締合現(xiàn)象，分子締合的結(jié)果則會(huì)影響液體的密度。H2O分子之間有締合現(xiàn)象， 常溫下液態(tài)水中除了簡(jiǎn)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(tài)水流動(dòng)性變?nèi)酰琀2O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(tài)水）中有兩種使密度發(fā)生改變的因素：（1）溫度降低，液態(tài)水的分子熱運(yùn)動(dòng)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(tài)水降至水溫為4℃的溫度段（不包括4℃），第一種因素占優(yōu)勢(shì)，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(tài)水降至水溫為4℃時(shí)，此時(shí)締合作用最大，這些H2O分子堆積最緊密，此時(shí)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(jiǎn)單分子結(jié)合成較復(fù)雜的分子集團(tuán)而不引起物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)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(dòng)，即平衡向右移動(dòng)，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(dòng)，即平衡向左移動(dòng)，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(fā)生改變的因素：（1）溫度降低，液態(tài)水的分子熱運(yùn)動(dòng)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(shí)，后一種因素占優(yōu)勢(shì)。

（四）4℃與0℃水密度的比較

水的溫度從4℃降至0℃時(shí)，全部分子締合成一個(gè)巨大的、有較大空隙的締合分子、宏觀上結(jié)成巨大的締合物——冰。據(jù)推算，在接近0℃的水中大約有0.6%的冰晶體，溫度繼續(xù)降低時(shí)，出現(xiàn)較多的（H2O）3及具有冰結(jié)構(gòu)的較大的締合分子，它們結(jié)構(gòu)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(dāng)0℃水凝結(jié)為冰時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)能減小，形成了四面體結(jié)構(gòu)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(jié)冰體積膨脹的反常現(xiàn)象。

三、結(jié)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(xué)生對(duì)水的水熱脹冷也脹的反常現(xiàn)象形成清晰地認(rèn)識(shí)，從而更好地理解寒冷地區(qū)的江河水體不會(huì)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(xiàn)象，從而促進(jìn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦允豪.熱學(xué)第四版[M].北京：高等教育出版社，2018.337.

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

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