水的结晶（通用）.doc

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1、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

2、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，

3、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

4、°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

5、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

6、，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

7、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

8、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