水的反常膨脹

石弘

如果有人問你物質(zhì)由液態(tài)凝固成固態(tài)時，體積是變大還是變小，你的第一反應一定是變大，因為我們在生活中見到很多水的凝固現(xiàn)象，如夏天把水放入冰箱制冰，拿出來時冰總是從制冰盒鼓出來；冬天室外的自來水管往往會被凍裂等，這些現(xiàn)象好像都證明了物質(zhì)凝固時體積是要變大的，但從物理角度看，固體相比液體分子間的作用力更大，分子排列會更緊密，所以同一物體固態(tài)時的體積應該比液態(tài)時的小，生活中也有很多現(xiàn)象能證明這個觀點，例如。燃燒的蠟燭凝固后表面是內(nèi)凹的，家里熬的豬油凝固后表面內(nèi)陷等。為什么水在凝固時會出現(xiàn)跟其他物質(zhì)截然相反的結(jié)果呢？這是由水的反常膨脹引起的。

一般物質(zhì)由于溫度影響，其體積會熱脹冷縮，溫度計就是利用液體熱脹冷縮的性質(zhì)制成的，但也有少數(shù)物質(zhì)在一定溫度范圍內(nèi)卻是熱縮冷脹的，如圖1所示是通過實驗得到的水的體積隨溫度變化的圖象，由圖象可以看出，冰跟其他物質(zhì)一樣，隨著溫度的升高體積變大，但在冰熔化成水時，體積變小，水在由0℃升高到4℃時，其體積不但不增大。反而縮小，當水的溫度高于4℃時，它的體積才會隨著溫度的升高而膨脹，由此得出，冰在受熱時與一般物質(zhì)相同，是膨脹的，遇冷則收縮，水在4℃以上也是熱脹冷縮的，只有在0℃到4℃范圍內(nèi)的水與一般物質(zhì)不同。是熱縮冷脹的，我們把這種現(xiàn)象叫作水的反常膨脹。

水為什么會出現(xiàn)反常膨脹呢？科學家已經(jīng)找到了答案，水的反常膨脹現(xiàn)象可以用氫鍵、締合水分子理論予以解釋，由于同學們知識上的局限，可能現(xiàn)在還無法弄懂氫鍵和締合水分子理論，隨著不斷地深入學習，相信大家今后會逐漸了解氫鍵和締合水分子理論，弄懂水反常膨脹的原因。

水的反常膨脹對我們生活的大自然有著神奇的影響。例如，江河湖泊里，當冬季氣溫下降時，若水溫在4℃以上，上層的水會先冷卻，由于此時水還是正常膨脹，所以冷水體積縮小，密度變大。會下沉到水的底部，而下層的暖水就升到上層來，這樣，上層的冷水跟下層的暖水不斷地交換位置（對流）。使整個水溫逐漸降低，這種熱對流現(xiàn)象只能進行到所有水的溫度都達到4℃時為止，當水溫降到4℃以下時，由于水的反常膨脹，上層的水反而體積膨脹，密度減小，于是冷水層停留在上面繼續(xù)冷卻，一直到溫度下降到0℃時，上面的冷水層開始結(jié)冰，由于冰的密度比水小，所以冰一直浮在水面上而不下沉，冰下面的水，從上到下溫度為0℃到4℃，如圖2所示。所以冬季江河湖泊的水結(jié)冰是從上到下逐漸結(jié)冰的，當冰封水面之后，水的冷卻就完全依靠水的熱傳導方式來進行，由于水的導熱性能很差，因此湖底的水溫仍保持在4℃左右，水中的動植物在水底就可以安然過冬。如果水在0℃-4℃不是反常膨脹，也像其他大多數(shù)物質(zhì)那樣，熱脹冷縮，那么溫度較高的水的密度小，不斷升到水面，向空氣散熱。湖泊中水就會從湖底開始凍結(jié)，最后全部封凍，水中的動植物就不可能在寒冷的季節(jié)里生存下來，看到這里，你是不是覺得大自然真是太神奇了！

水的反常膨脹同時也給人們的生產(chǎn)、生活帶來一些破壞作用，例如，冬天室外的水管被凍裂、汽車的水箱被凍裂都是因為外面的鐵熱脹冷縮，而里面的水結(jié)冰時體積變大，反常膨脹導致的。

賈任編輯 蔡華杰