谈 谈水 的 常膨 胀
反百 海少钟职 大学 李 工 表康
初 物中 理二 第册中 谈 到热膨 在 胀时指 出 “
0犷
。护
时
。
,
力增 斥长 比引 增力 长快
,
表现出 排的 曲 线部分
一
般 物 体 都 是在温 度 升 高时 膨胀 在 度 降 温
。 ” 低“
,
斥
作 用比
二
特
别 要指需 出 是
的
。
犷
0
二。
时 收
缩,
水 的 热
膨胀 有 它的特殊
,性。
。
水在
,
,“
!
.犷
的 曲
线部分
,陡。
,
亦 相 即互作 用 曲力线
,
以 上 跟 般一 的物 体一样 热 是 冷胀 缩 的!
∀到
但在
!
是的 不对 称 的,
斥 力
对距 离 变 化的率 比 引 力 距对
! 间 却 之是热 缩冷 胀
的
因此
,
,离 的变 化率
大振 幅 也 不对称
温度 升 高 时
犷粒 子的
热 动振加
,
水 无论温 度 升 高 降 低 或体积 都 要 增大 度 密
,都
剧
由 于斥 力 引与力
随,
变
化 不 对的 性称因 此
要
减
小
,也就是
,
说,
水在
“
!
的时
密度候最 “
粒 相 子互接 近的 最 大 幅 度小于
,
大。”
相 互 开分的 最 幅大
此 外度 高 中 物 理种甲 本 第二册 中 出
,指
,。
粒子 间 的平 均 距 离将 增 ,
实
。
大 即
, ,
于.,
二
。
。温 度越
高
尹
子粒热 运动 越 剧烈
,
,
护
验明表 大多数 质 熔物解 时 积 膨体 胀凝固时 体
积 缩
,小
也越大
晶
体 积 体 越 大也
产
生了热 膨
,
胀
。所
然
而 也有少 数 物 质 跟 述 情上况 反相
、
人
以 由 这于种 了,
曲 线的不对 称性 ,
致
使 晶
体例
如水 灰 铸 铁 秘锑 等 它 们 在 熔 解时体 积 缩
,
、
、
粒子 的 热 动运 为 简非谐 振动 缩的 现 象
。
、
而产 生 因胀 热
冷
,小凝 固 时体积 膨 胀 为什么 一 般物体 都是 胀冷 缩 常热 膨 呢胀# 这得 从物 质的 微观 结
分 构子热 运 动 起谈
因
。原
。。”
,
水而却反 学键化
和非
体晶液体 晶 与体有 相 似 的 热 膨 机胀制 这
里不再 述赘。
,
但 水
的 膨热胀 怎么 会 出现 反 常 现 呢 #象
是这因 水 分为子 之 存间在一 种 被称 为 键 氢的 互相,
,
我
先 以们晶 体 为 说 例 明 一 固般 体热 胀 膨
的
在 晶体中 粒子∃ 分 原子 子离
,子
、
∋
。
,或
作原
用
我。 们知 水 道分 子2 夕由 两 个氢 原 子和
, ,
子 团等 % 是 有 规 则 地周 期 性 地排列 的粒 子 间距 离约 为 & 一 ( ) 粒 子 人间有 很 强的 相 互作
用
,
一个 氧 原子结 合 而 成/
氧
子 中原
。的
)
夕
子 电与
∋
4氢 原 子中 3 电子 形 成 共的 键
价共价 键 是强
力
,
这种 相 互 用作 在力 固 体 物理 中 被称 键作
。
。
键
分水 子
中 的 7卡 摩尔
,。
,
∃关 于化学 的 知键 识在 高 化中 学甲 本种 第 册
二/一 5 键 单均平 值 为 & & 千 6由于 氧子原 的 负电性较 氢 原 的 负子,
,
,
中
已有 初 步 介绍
% ,
,尽
管各 种化 键学 的起 源
不电
性 强偶 合 对成的 电 子 向偏 氧原 子 于 是 原氧
性同 不 同 质但粒 间子的 结 合力却 具有 共 同的
子 显 负示 性电 氢 原 子显示 正的电性 并 且氢 核
乎 几裸露在 外/
特
征
。,
即
相 互 作用
。
可
日 日叭打 ∗
卜
分为 排 斥 吸 引和两
+部 分图& 为关’ ,
,
一
2 共 价键 是 极性 共价 一键 2 合体 相复 于 当一个 电 偶极子 当大
量。
/
。,
线
曲
。水 子 分聚 集 一 在时起由
氢于 的 作 键用
图
。&
,
裸
露 的 氢 核 对 负显 电 性
,
。。
为
粒 两 子 距 离 间示 表 斥
。
力,
的 氧
原 产子生 静吸 引力电 这 作种用 就 是氢 键
,
−为相 互 作 力用 .
了
/,
使 水 分子 结 合 在 起一‘
这
种
0 / 表−犷
二
合 被结 为 8 一称 5 ……9 形 式 的
,
。
8键与
2
示力引
图
中
几
合 结 共 价 为键9 与2 的 结为合氢键
二
。
−时
1
∀,
表示 斥 力与 引 平 力
,衡
当
.二
。
。
时
氢键, 具 有 饱 性和 方 和 向
原性子 配的 数位 不 过 二
超,
。
饱
和性 指 是
氢 斥减力 小 引比力 小 减快
表现 吸出引 作
用当
即 一个 裸 露 的 氢核 最
多
只能 吸 两引个 显 负 电性 的 子原形 一 个成稳 定的复
合 体 于 其 由原 它子均 较 氢子 大原 得多 当,
,
与此 氧原 子 相距较 远
,为
&
∋
6 人
, 氢,
键
。
这
是意 料 中 构 型
的,
可。以看 出
正
是由于
,
三第个 示 负 显电性的 原子 接 近 这个氢核时
遭 到 前 个两 负带电 的 原 子 排 斥
的 氮核于 引力。
,
将
氢键的 和饱性和 方向 性 使 冰晶体 具 一有 个十 分敞 开的 构结原 子 间具 有 较 的 大空隙 因而 冰 有 较小的 度密。
,个 斥这力 大
以一 个 所 氢原 子不 可 能 与三 个 原。
子
形成一 个 定稳 的 复体
,
合
方向 性 是指8 一 2
,
温升 度高
&
到 !。“
时的 冰吸 收 热 量
后
,,
,
氢
键。
&
… … 9 在一 直 线上 为 因 一 28 复合
体相
当
开
始分 被 子热运 动 破所 坏
冰将逐 渐化
熔
当于 一
电偶极 子
,
当9 在 一 直 线 时上 用 势能作 最。
克
/
∀。!
“
的/冰吸 收= 卡量热
。
后
“将全 部
熔 化
小
,
系统
最稳 定
正是氢键 这 的两 个特性 决定
坏为
”
的水!
( 熔 化/ 过 程中 & 有那的 键氢被
,破
了水和冰 构 型
的。
在
!
,时
中水
以 聚 多的 大 分 子为 主 结构
。
于由氢 键 的 在
存
使, 单个水 分 子 缔 合 成由。
/
反而比 冰紧 密体积 大约 缩 &小拓 。!
。
当
度温从
儿
个水 分子 成 组 大 的子
分但氢 键又是 弱 键
,
,逐 渐
升 高 分 时 子热 运 的加 动剧将 产两 生
个,, ,
,
能键
在
)一&/
,
千
7 克摩 尔的 范 内 容 易围被热
。
运果 效 一方面 使氢 进 键 一步 被破 大坏 的 多聚
子 分 渐逐 减 小少的多 聚 子 逐 分 步增加 由于 水
,
中
动破 所坏即
”
2 / 哥 已∃2 /%,
九
13 ):…
、、 。
小 的… 多 聚 分子比 大 的 多 聚分 子 排列 紧 密
,
将导
。
显 然 水
中 的氢 数与键 温度 有关
致
水的 体 积减
,小
。
另一 方
,面
, 由于 非简 谐 动
在振图 )所 示 的 冰
晶 分使 子 之间均 距 平离 大增导 致 的体水积 大增,
体
结的 中
构
,水 分 子
都
,
相比 下 之体 积减 小 的因 素 强 膨 胀于的 素因 因
此在 /一
“ ∀
!以
氢键 相 互联结
每个
。
!范 围 内 总的 结 果是将随温 度 升
。
暇
原被 构子成 四 面体 的
其它 四 个原子 所包 围 中 心 氧 原 子与顶 角上
的水 的高体积 反 减而
, 小
,在
∀
时
!
,水中的 聚多,
‘子 大 部分 以分 聚分 子 双形 的 式存
最 在为 紧 密 体 最积 小密 度 最
大,,
。
,此时 排列
随
着 度温的进
,
每
个 原氧 之子 的连间线
上 都有 一 个 氢 原
。
子一
步升 高 氢键 进 一步 破 坏 双 被聚 分子 成 分 转
对
,变为 分单 子时 同于 热 由运动 的 加 剧 分子 间 平
距均 离增大 这 就是 ,
于 每个
氧 子 原讲 周 围来都 有四 个 氢原子其 中,
,“
!
一3 / /!水 一 般与物 质
。两个 氢 原 子 与它靠 得较 近
,约为
&
∋/ 形成入
,∋
一
出现样热 胀冷 的现 象缩
个共两价
键
,
/ 此两共 键价的键 角 为 &
,
。
(
。
∃
;
总
之
,
正 是由 氢键 决 于 定 水 着子分之 间
的,
键倾向于 互 相垂 直
,
但由 于 个 两乎几 裸露的 氢
另两 个 外氢 原
子
互相作 用 的 质性 强和弱 具 有 反 常膨 的特胀 性
。
正 是
于 氢由键 使才水
核 的
相 排 互 斥使键 角 增 大%
《中
物学 理 解辞题 典 》 下 % 开 册始预 订 ∃。
中学 物 解理题 辞 典是 一 部 由上 海教 育 出版 社 版出 大 型 的 理物 具工
书。
。
。
书 全门类 齐 题 全型 富 是丰 一
,
、、
,
个
较 整完 的题库 六大
、
类
。
中学物 理 解题 辞 共典五千 道
,题
,
∋
。
分
填 选 择 计充算 理 和 说 证论 线图和 作 图
,
、、
,
实
验等
,,
。全
书对 每 题 都道作有
详解 对一 典些 型的 题 还 有附 分
析,, ,
提
示 和解 法指 导
。
等
。
全
书共 约 二百万 字。
分
下 两 册 上 册 上 定&价
/)元 已 出 并 版售完 ∃请勿 再 汇 款 来本 刊 编 辑部%
第一年季度 出版。
下
内 容 为册电 至学原 子 物理
。
估
计 价书& = 元 左右 将
于
,
,
&, /,
。
为
了保证 供 书
,
,
前本目刊 编 辑部开 始办 理 预 订 手 续
“
需
钩 该 书 者凡请 每本 先 预付 五 元∃ 余书其 待 书款价 确 后 定再 %收 直 接寄本 刊 编辑 部
请详细 写 明 订 购 中 学 理
,物
解
题 辞典∃下 册% 写 明 书购 册数预 付金额
,
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便 联
系
。
如, 再
欲 上助 册者 则 请来 信 中 注明∃暂 不 要书款寄 %需 的要册 数如 果 大家 要 需册的数 超过 一定 印数的 将考 虑 重印 并将 通知 订 购 者,
。则有 关部
们
谈 谈水 的 常膨 胀
反百 海少钟职 大学 李 工 表康
初 物中 理二 第册中 谈 到热膨 在 胀时指 出 “
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。护
时
。
,
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一
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。 ” 低“
,
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的
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,性。
。
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,
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,陡。
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,
以 上 跟 般一 的物 体一样 热 是 冷胀 缩 的!
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! 间 却 之是热 缩冷 胀
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因此
,
,离 的变 化率
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温度 升 高 时
犷粒 子的
热 动振加
,
水 无论温 度 升 高 降 低 或体积 都 要 增大 度 密
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由 于斥 力 引与力
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,也就是
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。
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而 也有少 数 物 质 跟 述 情上况 反相
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以 由 这于种 了,
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使 晶
体例
如水 灰 铸 铁 秘锑 等 它 们 在 熔 解时体 积 缩
,
、
、
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。
、
而产 生 因胀 热
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,小凝 固 时体积 膨 胀 为什么 一 般物体 都是 胀冷 缩 常热 膨 呢胀# 这得 从物 质的 微观 结
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因
。原
。。”
,
水而却反 学键化
和非
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里不再 述赘。
,
但 水
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是这因 水 分为子 之 存间在一 种 被称 为 键 氢的 互相,
,
我
先 以们晶 体 为 说 例 明 一 固般 体热 胀 膨
的
在 晶体中 粒子∃ 分 原子 子离
,子
、
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。
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我。 们知 水 道分 子2 夕由 两 个氢 原 子和
, ,
子 团等 % 是 有 规 则 地周 期 性 地排列 的粒 子 间距 离约 为 & 一 ( ) 粒 子 人间有 很 强的 相 互作
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,
一个 氧 原子结 合 而 成/
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子 中原
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力
,
这种 相 互 用作 在力 固 体 物理 中 被称 键作
。
。
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,。
,
∃关 于化学 的 知键 识在 高 化中 学甲 本种 第 册
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,
,
中
已有 初 步 介绍
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。,
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。
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图
。&
,
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露 的 氢 核 对 负显 电 性
,
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。
力,
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,
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使 水 分子 结 合 在 起一‘
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二
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,
。
8键与
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图
中
几
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二
。
−时
1
∀,
表示 斥 力与 引 平 力
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。
。
时
氢键, 具 有 饱 性和 方 和 向
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超,
。
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和性 指 是
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即 一个 裸 露 的 氢核 最
多
只能 吸 两引个 显 负 电性 的 子原形 一 个成稳 定的复
合 体 于 其 由原 它子均 较 氢子 大原 得多 当,
,
与此 氧原 子 相距较 远
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6 人
, 氢,
键
。
这
是意 料 中 构 型
的,
可。以看 出
正
是由于
,
三第个 示 负 显电性的 原子 接 近 这个氢核时
遭 到 前 个两 负带电 的 原 子 排 斥
的 氮核于 引力。
,
将
氢键的 和饱性和 方向 性 使 冰晶体 具 一有 个十 分敞 开的 构结原 子 间具 有 较 的 大空隙 因而 冰 有 较小的 度密。
,个 斥这力 大
以一 个 所 氢原 子不 可 能 与三 个 原。
子
形成一 个 定稳 的 复体
,
合
方向 性 是指8 一 2
,
温升 度高
&
到 !。“
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后
,,
,
氢
键。
&
… … 9 在一 直 线上 为 因 一 28 复合
体相
当
开
始分 被 子热运 动 破所 坏
冰将逐 渐化
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当于 一
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,
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克
/
∀。!
“
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。
后
“将全 部
熔 化
小
,
系统
最稳 定
正是氢键 这 的两 个特性 决定
坏为
”
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( 熔 化/ 过 程中 & 有那的 键氢被
,破
了水和冰 构 型
的。
在
!
,时
中水
以 聚 多的 大 分 子为 主 结构
。
于由氢 键 的 在
存
使, 单个水 分 子 缔 合 成由。
/
反而比 冰紧 密体积 大约 缩 &小拓 。!
。
当
度温从
儿
个水 分子 成 组 大 的子
分但氢 键又是 弱 键
,
,逐 渐
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,
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7 克摩 尔的 范 内 容 易围被热
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运果 效 一方面 使氢 进 键 一步 被破 大坏 的 多聚
子 分 渐逐 减 小少的多 聚 子 逐 分 步增加 由于 水
,
中
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”
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九
13 ):…
、、 。
小 的… 多 聚 分子比 大 的 多 聚分 子 排列 紧 密
,
将导
。
显 然 水
中 的氢 数与键 温度 有关
致
水的 体 积减
,小
。
另一 方
,面
, 由于 非简 谐 动
在振图 )所 示 的 冰
晶 分使 子 之间均 距 平离 大增导 致 的体水积 大增,
体
结的 中
构
,水 分 子
都
,
相比 下 之体 积减 小 的因 素 强 膨 胀于的 素因 因
此在 /一
“ ∀
!以
氢键 相 互联结
每个
。
!范 围 内 总的 结 果是将随温 度 升
。
暇
原被 构子成 四 面体 的
其它 四 个原子 所包 围 中 心 氧 原 子与顶 角上
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, 小
,在
∀
时
!
,水中的 聚多,
‘子 大 部分 以分 聚分 子 双形 的 式存
最 在为 紧 密 体 最积 小密 度 最
大,,
。
,此时 排列
随
着 度温的进
,
每
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上 都有 一 个 氢 原
。
子一
步升 高 氢键 进 一步 破 坏 双 被聚 分子 成 分 转
对
,变为 分单 子时 同于 热 由运动 的 加 剧 分子 间 平
距均 离增大 这 就是 ,
于 每个
氧 子 原讲 周 围来都 有四 个 氢原子其 中,
,“
!
一3 / /!水 一 般与物 质
。两个 氢 原 子 与它靠 得较 近
,约为
&
∋/ 形成入
,∋
一
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键
,
/ 此两共 键价的键 角 为 &
,
。
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。
∃
;
总
之
,
正 是由 氢键 决 于 定 水 着子分之 间
的,
键倾向于 互 相垂 直
,
但由 于 个 两乎几 裸露的 氢
另两 个 外氢 原
子
互相作 用 的 质性 强和弱 具 有 反 常膨 的特胀 性
。
正 是
于 氢由键 使才水
核 的
相 排 互 斥使键 角 增 大%
《中
物学 理 解辞题 典 》 下 % 开 册始预 订 ∃。
中学 物 解理题 辞 典是 一 部 由上 海教 育 出版 社 版出 大 型 的 理物 具工
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,
、、
,
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类
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中学物 理 解题 辞 共典五千 道
,题
,
∋
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分
填 选 择 计充算 理 和 说 证论 线图和 作 图
,
、、
,
实
验等
,,
。全
书对 每 题 都道作有
详解 对一 典些 型的 题 还 有附 分
析,, ,
提
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。
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