为什么水在4度时密度最大
为什么水在4度时密度最大
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。
都说四度的水密度最大，这个原理是怎么得出来的？
水的“异常膨胀”使得大量的鱼类在寒冷的冬季存活下来。
当水温降至100℃时，水的密度最高，向下层下沉。当水温降到4℃以下时，由于体积变大，密度变小，不再下沉，所以会停留在上层，直到上层水温降到0℃，然后变成冰。深水温度还能保持4℃。一般物质具有“热胀冷缩”的性质(确切地说是吸热时体积膨胀，放热时体积收缩)。除了水、锑、铋等少数物质。
只有当温度超过4℃时，水才会随着温度的升高而膨胀。当温度从0℃升高到4℃时，水的体积反而减小。水的异常膨胀与水极性分子的缔合有关。
因为水分子是高极性分子，可以通过氢键结合成缔合分子(多个水分子结合在一起)。液态水不仅包含简单的水分子(H2O)，还包含相关的分子。两个最典型的是(H2O)2和(H2O)3。前者称为双分子缔合水分子。物质的密度由物质中分子间的平均距离决定。当水在0℃不冻结时，大部分水分子以(H2O)3的缔合分子存在，当温度上升到3.98℃(101kPa)时，大部分水分子以双分子缔合水分子存在(在水温从0℃上升到4℃的过程中，缔合水分子氢键断裂对增加水密度的作用大于分子热运动速度加快导致水密度降低的作用，所以在这个过程中，)，分子占据的空间相对减少，此时水的密度最高。
如果温度继续上升到3.98℃以上，以热胀冷缩规律为主。当水温降至0℃时，水变成冰。当水结冰时，几乎所有的分子都结合在一起，成为一个巨大的结合分子。水分子在冰中的排列是每个氧原子有四个氢原子作为它的邻居(两个共价键和两个氢键)。这样的排列方式导致了开放的结构，也就是说冰的结构存在较大的空隙，所以冰的密度与相同温度的水的密度成反比。
虽然这种现象只是由水的分子结构引起的，但人们仍然不能科学地解释水的这一特性。日本材料研究所的研究人员米什马休和铃木博通过实验证实，在低温下，两种非晶体冰之间存在不连续的转移。在低温下，低密度水和高密度水的形态完全不同。本研究不仅首次解释了水在4℃时密度最高的现象，而且在生态系统、水溶液体系等与水相关的领域具有广泛的研究和应用价值。这项成就发表在最新一期的《自然》杂志上。科学家们一直通过理论计算和实验研究水的无定形多样性。
水通常在0℃结冰。而水在摄氏零度以下时可以保持液态，称为过冷水。当过冷水达到临界点以下时，会出现两种状态，即低密度水和高密度水。相应的，有低密度和高密度两种无定形冰。由于水在低温下容易结冰，并且由于不存在无定形冰之间相互转移的理论，所以关于水的无定形多样性理论存在很多争议。其中之一就是两种密度的无定形水是否会不断转移。在这项研究中，日本科学家观察了从高密度无定形冰(HDA)到低密度无定形冰(LDA)的过程。
研究发现，在-158℃以下，氢多巴胺整体均匀膨胀，在-158℃时迅速转变为体积变化不均匀的左旋多巴胺。在传递过程中，两种成分共存，随着时间的推移，H DA和LDA逐渐分离。研究证实，两种水在低温下的传递是不连续的。
科学家认为，这一研究成果是揭示水领域各种问题的重大突破，将对未来过冷水的研究产生重大影响，同时也将带动平流层云和动、植物细胞过冷水在冰点以下运动的研究。如果未来这两种水的临界点都可以控制，那么水的结晶就可以自由控制，这对人类控制地球环境，发展生物冷却保存技术都是极其有价值的。
本文来自网络，不代表生活常识网立场，转载请注明出处：http://sdsy56.com/shenghuozixun/254476.html
上一篇: 老年大学是什么啊
声明： 我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本站部分文字与图片资源来自于网络，转载是出于传递更多信息之目的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们(管理员邮箱：15053971836@139.com)，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!
相关阅读