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(shí)，體積是變大還是變小，你的第一反應(yīng)一定是變大，因?yàn)槲覀冊(cè)谏钪幸姷胶芏嗨哪态F(xiàn)象，如夏天把水放入冰箱制冰，拿出來時(shí)冰總是從制冰盒鼓出來；冬天室外的自來水管往往會(huì)被凍裂等，這些現(xiàn)象好像都證明了物質(zhì)凝固時(shí)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(huì)更緊密，所以同一物體固態(tài)時(shí)的體積應(yīng)該比液態(tài)時(shí)的小，生活中也有很多現(xiàn)象能證明這個(gè)觀點(diǎn)，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(shí)會(huì)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(huì)熱脹冷縮，溫度計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)，體積變小，水在由0℃升高到4℃時(shí)，其體積不但不增大。反而縮小，當(dāng)水的溫度高于4℃時(shí)，它的體積才會(huì)隨著溫度的升高而膨脹，由此得出，冰在受熱時(shí)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(huì)出現(xiàn)反常膨脹呢？科學(xué)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(xué)們知識(shí)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(xué)習(xí)，相信大家今后會(huì)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(duì)我們生活的大自然有著神奇的影響。例如，江河湖泊里，當(dāng)冬季氣溫下降時(shí)，若水溫在4℃以上，上層的水會(huì)先冷卻，由于此時(shí)水還是正常膨脹，所以冷水體積縮小，密度變大。會(huì)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(duì)流）。使整個(gè)水溫逐漸降低，這種熱對(duì)流現(xiàn)象只能進(jìn)行到所有水的溫度都達(dá)到4℃時(shí)為止，當(dāng)水溫降到4℃以下時(shí)，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(shí)，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(dāng)冰封水面之后，水的冷卻就完全依靠水的熱傳導(dǎo)方式來進(jìn)行，由于水的導(dǎo)熱性能很差，因此湖底的水溫仍保持在4℃左右，水中的動(dòng)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(huì)從湖底開始凍結(jié)，最后全部封凍，水中的動(dòng)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(shí)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?yàn)橥饷娴蔫F熱脹冷縮，而里面的水結(jié)冰時(shí)體積變大，反常膨脹導(dǎo)致的。

賈任編輯 蔡華杰