氢键与水的“热缩冷胀”，本文主要内容关键词为：氢键论文,热缩冷胀论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一般物体随着温度的升高时，体积膨胀、密度减小，也就是通常所讲的“热胀冷缩”。然而水在温度由0℃上升到4℃的过程中，水的密度逐渐加大；温度由4℃继续上升的过程中，水的密度逐渐减小；水在4℃时的密度最大。即水在0℃至4℃的范围内，呈现出“热缩冷胀”的现象，这在很大程度上与水分子中的氢键有关。
物质密度由物质内分子间距决定。分子间距越大，物质密度越小；分子间距越小，物质密度越大。经研究发现，在水和冰的结构中，分子间存在着一种非常特殊的作用——氢键（一般晶体所没有的）。由于氢原子的特殊性，使有些含氢的化合物晶体呈现独特的结构，冰就是典型例子之一。氢原子的电离能比较大，难以形成离子键；同时氢原子只有一个电子和一个质子，氢原子核也比其他原子的离子小很多。当它唯一的价电子与一个原子形成共价键后，原子核便暴露出来，容易受到其他负离子的作用，该氢核可以通过库仑力的作用与负电性较大的离子相结合，这种结合称为氢键。在冰中的每个
分子都通过氢键与周围四个分子结合在一起，边缘的分子同样与其他分子结合形成如图1所示的立体结构。这种多分子组成的立体结构是四面体结构，所占空间较大，分子间不是密排而是镂空结构。
图1
在这种空旷的镂空结构中，原子间存在着较大的空隙。当0℃的冰晶被加热时，冰晶体中的部分原子的无规则热振动足以破坏氢键，使部分氢键断裂。原来的空旷镂空结构逐渐瓦解为水分子集团，水分子集团内为点阵结构，集团间的距离明显变小。水分子集团之间没有氢键的存在，0℃的冰融化为0℃水时，近15%的氢键被破坏，具有了流动性，固态转化为液态，由于水分子集团间的杂乱排列，且集团间距离明显减小，使得水的密度比冰要大，在0℃时，密度有一个突变，而这时水中仍有大部分的氢键存在。
若继续加热0℃的水，随着温度的升高，水分子集团进一步瓦解，氢键进一步断裂，结合在一起的水分子集团减小，开始出现单个水分子。这时，它们可以任意排列和运动，单个水分子还可以嵌在镂空的分子结构之间。在水温升高的过程中，一方面由于氢键的断裂使水分子排列更紧密，密度增大；另一方面分子热运动加快，使分子间平均距离增大，密度减小。但随着水温的不断上升，分子间距增大得较为缓慢；而氢键断裂使分子间距几乎均匀地减小，使得在水温由0℃升高到4℃的过程中，由氢键断裂引起水密度增大的作用，比分子热运动加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中水的密度随着温度的升高而增大，即呈现“热缩冷胀”现象。
水温超过4℃时，随着水温的升高，氢键继续断裂，水中多分子集团越来越少；但分子热振动幅度随温度升高不断加大，使分子间的平均距离增大加快。由氢键断裂引起的水密度增加的作用较受水分子热振动引起的水密度减小的作用小，因此在水温由4℃继续升高的过程中，水的密度随温度的升高而减小，即呈现“热胀冷缩”现象。
这样，热振动使分子间距扩大和断裂氢键使集团间距缩小两种相反的竞争机制，使得水在0℃～4℃之间有着“热缩冷胀”的特性。4℃时，两种相反的机制几乎达到平衡，水分子间距最小，水的密度最大。4℃以上的水又回到正常的热膨胀特性。经过上面的讨论可知，水的热缩冷胀从微观上看是由于两种相反机制竞争的结果，主要是氢键的存在，导致了这种反常膨胀。