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水的密度在4℃时为何达到最大值?

时间:2023-07-03 理论教育 版权反馈
【摘要】:水结冰后会浮在水面上,说明冰的密度比水的密度小,从表4中可以看出4℃时水的密度最大,为什么呢?在水分子内氢原子与氧原子形成共价键后,由于氧原子半径小、电负性高。所以成键的共用电子对强烈地偏向氧原子,使氢原子几乎成为“赤裸”的质子。表5氢、氮、氧、氟的电负性由于质子半径特别小,可与相邻分子中的电负性强的氧原子产生静电作用,即形成氢键。所以,在4℃时水的密度最大。

水的密度在4℃时为何达到最大值?

水结冰后会浮在水面上,说明冰的密度比水的密度小,从表4中可以看出4℃时水的密度最大,为什么呢?

表4 水的密度

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图19 不同温度下相同体积的水中所含的水分子示意图

图19表示的是在不同温度下相同体积的水中含有的水分子数。在冰中有7个,在冷水中大约有15个,单位体积中水分子数越多,密度越大。

在冰中水分子间的虚线代表的是氢键。氢键是比范德华力更强的作用(不是化学键)。在水分子内原子与氧原子形成共价键后,由于氧原子半径小、电负性高(如表5所示,电负性是元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度,元素的电负性越大,表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强)。所以成键的共用电子对强烈地偏向氧原子,使氢原子几乎成为“赤裸”的质子。

表5 氢、氮、氧、氟的电负性(4.0为最大值)

由于质子半径特别小,可与相邻分子中的电负性强的氧原子产生静电作用,即形成氢键。表6中的虚线表示氢键(X、Y分别表示F、O或N)。(www.xing528.com)

表6 不同类型的氢键

由于H原子体积小,最多结合两个原子(如图20所示)。

图20 水分子之间氢键示意图

在冰的结构中,每个氢原子都参与形成氢键,每个水分子通过氢键与其他4个水分子相连,这种结构很不紧凑,其内部空隙较大,因而水结成冰时体积会膨胀。

当冰在0℃—4℃融化时,部分氢键受到破坏,冰的骨架被破坏而变成液态水(如图20所示),体积变小,同时分子的热运动增强会导致体积增大,但氢键部分被破坏引起的体积变小为主要因素,所以刚融化时水的密度大于冰的密度。

当温度大于4℃时,水中的小结构集团(H 2O)n不断被破坏,体积变小。但是,随着温度的不断升高,分子热运动增强并占主导地位,所以水的体积不断变大,密度开始变小。所以,在4℃时水的密度最大。

图21 冰融化为水的示意图

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