水的结晶.doc

优秀领先飞翔梦想www.youyi100.com水的结晶水是地球上的重要物质对于生命来说尤其重要。水有很多特殊的性质例如水结成冰后体积不但不减小反而增大水在4°C时密度最大水的比热和汽化热等都比一般物质大等等。这些现象都与水分子间的相互作用即成键情况有密切的关系下面就此问题作些浅显的讨论。图4-库-8冰—Ih的结构示意水分子是极性分子两个H—O键成104．5°角。水分子间的相互作用力是范德瓦耳斯力但相互作用方式有其特殊性。当它结成晶体（即冰）时一个水分子的氢原子与另一个水分子的氧原子相互吸引组成一种特殊的晶体结构如图4-库-8所示。图中大圆圈表示氧原子小圆圈表示氢原子在这里每一个氢原子一端与氧原子组成共价键（用短实线表示）而另一端则与另一个水分子中的氧原子靠范德瓦耳斯力连接它们之间的键合方式称为“氢键”在图中用虚线表示。由于氢键本质上仍是范德瓦耳斯力它的强度远比另一端的共价键要弱得多因此氢原子并不处于两个氧原子的正中而是靠氢键连接的两个原子距离较远在图中虚线画得都比实线长就是表示这个信息。冰的晶体属六角晶系它是一种比较特殊的晶体结构每一个水分子都与另外三个水分子相连接（每一个水分子的两个氢原子分别与另两个水分子的氧原子连接而它的氧原子则与第三个水分子的某一个氢原子连接）由于氢键的特殊方向性使得冰的晶体结构内部很“空旷”远不如金属晶体那样密集因此在水结成冰的过程中体积不是像大多数物质那样缩小反而要胀大即冰的密度比液态水的密度要小。当冰在0°C时吸热熔化成水后水中的氢键结构只有约15%断裂其余85%仍然保留。但这15%的氢键解体就使得体积明显缩小（约缩小1/10）。当水的温度逐渐升高时水中的氢键结构逐渐解体到20°C时水中的氢键约还有一半到了100°C沸点时水中仍有约20%的氢键结构存在。随着温度的逐渐升高一方面是氢键结构的解体它造成水的体积缩小而另一方面热膨胀现象又造成水的体积胀大这两种因素都在起作用。从0°C开始升温的初始阶段氢键的解体起主要作用因此水的体积随温度的升高而减小在4°C时体积变得最小而密度最大4°C以后温度再升高起主要作用的就是热膨胀了因此从4°C以后水也像大多数物质一样热胀冷缩。氢键虽然本质上是范德瓦耳斯力但比一般的范德瓦耳斯键要强一些。冰在升华直接变成水蒸气的过程中要吸收热量称为升华热吸收的热量中的大部分是使氢键解体小部分则是克服一般范德瓦耳斯键的作用前者约占3/4后者只占1/4。具体地说在0°C时冰的升华热约是51．0kJ/mol其中瓦解氢键需要37．6kJ/mol其余13．4kJ/mol则是克服一般范德瓦耳斯键所需的能量。正因为水在温度升高的过程中氢键要逐渐解体而瓦解氢键需要较大的能量因此水的比热比一般物质都大。水的汽化热和升华热也比一般物质要大其原因也是因为需要克服氢键的作用。氢键在生命过程中起着重要作用具体地体现在液态水身上。水是生命的重要源泉前面说到的水的几个特性对于生命都极为重要。水有较大的比热和汽化热使得水成为地球上的热量调节库。我们地球的日夜温度变化和季节温度变化都是较小的这对于生命的生长发育极为有利；水在4°C时密度最大在4°C以下继续冷却以至结冰的过程中体积要膨胀对流现象停止这使得江河湖海在冬天结冰时从上表面开始结冰而底层的水则仍然保持4°C的温度不变这样水中的动、植物都不会被冻死。水的这一切特性都与氢键有关这正是我们说氢键在生命过程中起着重要作用的原因。一般说来任何一种物质在温度、压强等发生变化时都会呈现不同的物态研究物态变化对于深入了解物质的结构及性质对于研制新材料及新物质都具有很大的现实意义。熔化和凝固物质由固相转变为液相叫做熔化；由液相转变为固相叫做凝固。在一定的压强下晶体要升高到一定温度才发生熔化这个温度叫做熔点其相反过程即由液相转变为固相的温度叫做凝固点。在熔化或凝固过程中虽然温度保持不变但要吸收或放出相变潜热。单位质量某种物质熔化成同温度液体时吸收的热量叫做熔化热；相反过程放出的热量叫做凝固热；熔化热等于凝固热。在熔化和凝固的过程中既有固相也有液相加热则向液相转变放热则向固相转变。因此熔点（凝固点）就是在一定压强下固液两相平衡共存的温度。晶体具有一定熔点决定于晶体具有远程有序的点阵结构破坏这种结构所需的能量是一定的。当温度升到一定数值平均热运动能达到晶体的结合能时一处的结构能够被解离（熔化）另一处在同一温度下同样能够被解离这个温度就是熔点。非晶体不具有远程有序的特点只具有近程有序的微观结构破坏不同的微观结构需要不同的能量因而表现为随温度升高而逐渐软化和熔化。熔化时所需的熔化热主要用于破坏晶体的点阵结构因此熔化热可以用来衡量晶体结合能的大小。．晶体的凝固与熔化构成晶体的物质微