今天,有朋友问我,为什么“冰的密度比水的密度小?”
一、T和P影响着物质的密度
其实这个朋友的问题提的似乎不太标准,因为
,而
又受到
等因素的影响,因此在讨论物质的密度时,必须给定
以限定。
①
增大,由于分子的热运动加剧,分子间距离变大,因此物质的体积增大,
变小;
②
增大,分子需克服外界的压强,分子间距离变小,因此物质的体积减小,
变大。
所以“冰的密度比水的密度小”这个比较应该给一个对
的限定条件。
二、
的密度与温度的关系
我想,这位朋友之所以提出这个问题,应该是注意到了这个事实:0℃时,
的密度为
,但在0~4℃时,
的密度却逐渐增大(如图1),在4℃时达到最大值(
),在4℃以上,
的密度又逐渐减小,在8℃左右,
的密度为
,与0℃时的密度近似相等。
图1 冰、水的密度随温度的变化趋势
也就是说,在0~4℃时,
的密度有些反常,明明“热胀冷缩”,温度升高,密度应该变小,但
的密度却反常地增大。
我想,这位朋友想问的应该是“为什么0℃的冰比0~8℃区间内的水密度小?”或者说“为什么0~4℃区间内,
的密度反常地增大(热缩冷涨)?”
三、
的分子结构
在
分子中,O原子采取
杂化,4个杂化轨道中,有2个排布着单电子的杂化轨道与H原子的1s轨道形成
键,而剩余的2个杂化轨道,排布着2对孤电子对。这4对电子在空间排布成“四面体构型”(如图2)。
图2 水的分子结构
四、
分子之间的作用力
水分子之间既存在着范德华力,也存在着氢键
1.