缔合水分子理论

2021年2月24日发(作者：骈文)

在一般情况下，当物体的

温度升高

时，物体的< /p>

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

< p>
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< /p>

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

< br>4

℃的范围内，

呈现出“冷胀热缩”的现象，

< p>
称为反常膨胀。

水的反常膨胀现象可以用

氢键、< /p>

缔合水分子理论

予以解释。

物质的密度由物质内分子的平均间距决定。

< p>
对于水来说，

由

于水中存在大量单个水分子，

也存在多个水分子组合在一起的缔

合水分子，

而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变

大，

所以 水的密度由水中缔合水分子的数量、

缔合的单个水分子

个数决定 。具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的

热运动两个因素决定。当温度升高 时，水分子的热运动加快、缔

合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作 用加

强。综合考虑两个因素的影响，便可得知水的密度变化规律。

在水中，

常温下有大约< /p>

50

％的单个水分子组合为缔合水分子，

其中双分子缔合水分子最稳定。图

2

－

4

为双分子、三分子、多

分子缔合水分子的示意图。

< p>

多个水分子组合时，除了呈六角形外 （如雪花、窗花）

，还

可能形成如图

2

－

5

所示的立体形点阵结构

< p>
（属六方晶系）

。

每一

个 水分子都通过氢键，

与周围四个水分子组合在一起。

图中只画< /p>

出了中央一个水分子同周围水分子的组合情况。

边缘的四个水分< /p>

子也按照同样的规律再与其他的水分子组合，

形成一个多分子的< /p>

缔合水分子。由图可知，缔合水分子中，每一个氧原子周围都有

— —

4

个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧原子之间是共< /p>

价键，组成水分子；另外两个氢原子属于其他水分子，靠氢键与

这 个水分子组合在一起。

可以看出，

这种多个分子组合成的缔合< /p>

水分子中的水分于排列得比较松散，

分子的间距比较大。

由于氢

键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，< /p>

水的结构发生了变化。一是缔合水分子中的各单个分子排列有

序， 二是各分子间的距离变大。

再与其他的水分子组合，形成

一个多分子的缔合水分子。由图可知，缔合水分子中，每一个氧

原子 周围都有——

4

个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧

原子之间是共价键，

组成水分子；

另外两个 氢原子属于其他水分

子，靠氢键与这个水分子组合在一起。可以看出，这种多个分子

组合成的缔合水分子中的水分于排列得比较松散，

分子的间距比

较大。

由于氢键具有一定的方向性，

因此在 单个水分子组合为缔

合水分子后，

水的结构发生了变化。

一是缔合水分子中的各单个

分子排列有序，二是各分子间的距离变大。

在液态水变成固态水时 ，即水凝固成冰、雪、霜时，呈现

出缔合水分子的形状。此时，水分子的排列比较“松散 ”，雪、

冰的密度比较小。

将冰熔化成水，

缔合水分子中的一些氢键断裂，

冰的晶体消

失。

0

℃的水与< /p>

0

℃的冰相比，缔合水分子中的单个水分子数目

< br>减少，分子的间距变小、空隙减少，所以

0

℃的水比

0

℃的冰密

度大。用伦琴射线照射

0

℃的水，发现只有

15

％的氢键断裂，水

中仍然存在有约

85

％的微小冰晶体（即大的缔合水分子）

。若继

续加热

0

℃的水，

随着水温度的升高，

大的缔合水分子逐渐瓦解，

变为三分子缔合水分子、

双 分子缔合水分子或单个水分子。

这些

小的缔合水分子或单个水分 子，

受氢链的影响较小，

可以任意排

列 和运动，不必形成如图

2

－

4

、图

2

－

5

< p>
那样的“缕空”结构，

而且单个水分子还可以“嵌入”大的缔合水分子中间 。

在水温升

高的过程中，一方面，缔合数小的缔合水分子、单个 水分子在水

中的比例逐渐加大，

水分子的堆集程度

（或密集程度）

逐渐加大，

水的密度也随之加大。< /p>

另一方面在这个过程中，

随着温度的升高，

水分子的运动速度加快，使得分子的平均距离加大，密度减小。

考虑水密度随温度变化 的规律时，应当综合考虑两种因素的影

响。在水温由

0

℃升至

4

℃的过程中，由缔合水分子氢键断裂引

起水密度增大的作用，

比由分子热运动速度加快引起水密度减小

的作用更大，

所以在这个过程中，

水的 密度随温度的增高而加大，

为反常膨胀。

< br>水温超过

4

℃时，同样应当考虑缔合水分子中的氢键断裂 、水分

子运动速度加快这两个因素，

综合分析它们对水密度的影 响。

由

于在水温比较高的时候，

水中缔 合数大的缔合水分子度加快的影