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热胀冷缩，但为什么水结冰体积会膨胀？

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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

热胀冷缩，但为什么水结冰体积会膨胀？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

世间万物遇冷而缩，遇热而胀，这是所有物体的一种基本性质，但水却例外。



除水以外的物体受热之后，物体基本粒子的动能就会加快，物体基本粒子之间的距离就会加大，也就导致物体的膨胀。反之物体遇冷，粒子运动就会降低，之间的距离也就减小，物体自然缩小。



那么水为什么却例外呢？原来是氢键做的怪，大家都知道水的分子式是H2O，其中的氢键在遇冷时，不但没有运动减慢，反而更活跃，还增加了氢键，这就导致水在结冰时，不但没有减小体积，却增大体积的原理。小伙伴们你们怎么看，说说你们的意见吧！


回答于 2019-09-11 08:43:50

水是司空见惯的物质，有点熟视无睹，但仔细研究起来，感觉它太神奇了。其密度就是有点与众不同。在一般情况下，物体的温度升高时，物体的体积膨胀、密度减小，表现为“热胀冷缩”现象。然而水在4℃以上遵从“热胀冷缩”，在4℃时密度最大，在4℃以下遵从“热缩冷胀”，体积逐渐变大，密度变小。这种现象称为反常膨胀。大部分物质遵从“热胀冷缩”，温度升高时，质量不变，体积增大，密度变小。

根据分子动理论，物质的质量一定，物质的密度由物质的体积大小决定，而体积大小是由分子间的平均间距决定。在4℃以上，当温度升高时，水分子的热运动加快，分子间的距离变大，体积变大，当温度下降时，分子间的距离变小，体积变小。当温度下降到4℃时，分子间的距离达到为最小，体积最小，如果温度再继续下降，分子间的距离又开始增大。

这是为什么呢？对于4℃以下的水来说，由于水中不仅存在单个水分子，也存在多个水分子利用H键结合在一起的“分子团”，这些“分子团”使分子间的平均距离变大。温度下降越多，这些“分子团”越多，分子间的距离越大，体积就越大。冬天的自来水管被冻裂就是这个原因。

多个水分子结合成“分子团”时，除了像雪花、窗花呈六角形外，还可能形成立体形点阵结构。每一个水分子都通过氢键，与周围四个水分子组合在一起。边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子组合，形成一个个“分子团”。“分子团”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。这种多个水分子组合成的“分子团”，排列比较松散，分子的间距比较大。所以，雪、冰的密度比较小

水温升高并超过4℃时，“分子团”中水分子中的氢键断裂，分子间的距离先变小再变大，这时要考虑水分子运动速度加快这个因素。在4℃时，由二个水分子结合的双分子数目最多，水分子的间距最小，水的密度最大，水的体积最小。

水具有这种神奇特性，是保护水中生命的需要，只有这样，水中生物才能安全越过冬天。

在寒冷的冬天，与空气接触的冰面与大气的温度相等，例如，外界温度为-30℃，则冰的表层温度也为-30℃。但与水接触的冰的温度则为零度。这是由于固态的冰是晶体，在熔化或凝固时温度不变，冰凝固点为0℃，如果冰温度低于0℃，则水会凝固，在凝固的过程中会保持0℃不变。如果冰温度高于0℃，则冰会熔化，在熔化的过程中温度也保持0℃不变。所以，在冰水接触处总是保持着0℃，再往下温度逐渐升高，在水的底部保持4℃， 4℃时水的密度最大，沉在水的最底层。鱼儿不会被冻死就是这个原因。

感叹大自然的造物主真是太聪明了！如果水不具有这种特性，地球上肯定缺少一类生物。

回答于 2019-09-11 08:43:50

冰的密度比水小，所以水一旦结冰，体积就会增大，所以膨胀。

回答于 2019-09-11 08:43:50

液态下水分子是分离的，随机游荡，温度越低水分子振动越弱，相互之间距离就越近。这是水热胀冷缩的状态。

随着温度再降低，水分子振动已经很小了，电极化影响为主，有规律的排列（由于水分子是一个正电荷居多的氧原子和两个负电荷居多的氢原子组成，氢原子并不是对称地在氧原子两端，所以正负电荷分离，像是磁铁一样，不同水分子之间就像不同磁铁之间一样首尾相接，有规律的排列。）

水分子有规律的排列就会占用更大的空间，等全部水分子排列好，就形成了冰或者雪花。体积就会变大。

在水结冰的过程中，体积最小的时候大约在4°C。

回答于 2019-09-11 08:43:50

当你把将水装满一个瓶子，再放入零下的温度下冷冻，你就会发现瓶子膨胀变形了。

也就是说体积变大了，这个问题看似简单，很多人说：密度改变了，但如果要解决为什么密度改变了，就得使用化学的知识。

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