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热胀冷缩,但为什么水结冰体积会膨胀?

2019-11-06 14:21:11 阅读量:1378

每个人都知道“热胀冷缩”。事实上,大多数物体冻结时会收缩或变小(从液体到固体)。

这是因为,在正常情况下,如果你让一个物体变热,它的分子会更频繁地振动。随着振动的增加,分子之间需要更多的空间,所以它会膨胀。

是的,这是水加热成蒸汽的原理。

从逻辑上讲,如果你把物体冷却下来,那么分子的运动速度应该会变慢,分子间碰撞和反弹的强度会降低,分子活动的频率也会降低,物体的分子会“聚集”在一起,缩小整体体积。

常识是这样的,为什么水是特例?

当水被加热成水蒸气时,它的体积会增加,而当水被冷却成冰块时,它的体积也会增加。

众所周知,当水结冰时,水分子之间的振动肯定会减小,但是冰的体积仍然会扩大。

原因是水分子的奇怪形状。

水分子看起来像米老鼠的头。米老鼠的脑袋里有一个氧原子,两只圆耳朵里有两个氢原子。

氧原子带负电荷,氢原子带正电荷,所以水分子倾向于粘在一起形成所谓的氢键。正是因为这种“氢键”的强烈结合,水的特性才非常“柔软”。当水被泵切断时,水就变软了。宏观刀具无法切断水分子之间的强力维持。

因为水分子采用这种形状,水分子以液态连接在一起的方式是形成一个非常开放的大孔结构。这意味着有很多额外的空间。

当水是液体时,水分子之间的大洞是无序的。当水结冰时,分子会在小振动的作用下自动进入最稳定的状态并保持整体形状,因此由多个氢键形成的“大洞”会膨胀到最稳定的形状,如下图所示-

恰好,最能满足这一要求的水分子排列占据了更多的空间。

所以冰结冰时会膨胀。由于质量相同,体积较大,冰的密度小于水的密度,饮料的冰总是漂浮在杯口。



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