韩文娟　龙琳

摘 要：本文以4℃为界、降低水温为序，从微观上分析水分子的缔合作用来讨论水的密度及体积随温度的反常变化原因，让学生对水的体积及密度随温度变化的反常现象形成清晰的认识以更好地理解相关自然现象。

关键词：水;体积;密度;变化;分析

一、引言

《热学》教学中，学生对水的体积及密度随温度的反常变化原因不太了解，比如为何大多数物体都热胀冷缩，温度越高，体积越大，物质的密度越小，而水热胀冷也胀，高于4℃或低于4℃时，体积都会膨胀，在4℃时，体积最小密度最大。就此本文以4℃为界、降低水温为序，从微观上分析水分子的缔合作用来讨论水的密度及体积随温度的反常变化原因，以让学生对水的体积及密度随温度变化的反常现象形成清晰地认识，从而促进教学。

二、分析水的密度及体积随温度的变化情况

（一）4℃以上的水（低于100℃的液态水）的密度及体积随温度的变化情况

H2O分子是极性分子[1]，H2O分子中的两个O—H键间的键角为104.5°，H2O分子中每个氢原子都参与形成氢键，使H2O分子之间构成一个四面体型的骨架结构，每一个氧原子周围有4个氢原子，其中2个H是与O共价结合，另外2个H离得稍远，通过氢键与O键合，形成一个有很多“空洞”的结构，这种由若干个简单分子联成复杂分子而又不会改变原物质化学性质的现象，称为分子缔合，液体分子间若形成氢键就有可能发生缔合现象，分子缔合的结果则会影响液体的密度。H2O分子之间有缔合现象， 常温下液态水中除了简单H2O分子外，还有（H2O）2，（H2O）3，…，（H2O）n等缔合分子存在。温度降低，液态水流动性变弱，H2O分子间氢键不易破坏，缔合程度增加。温度为4℃以上的水（低于100℃的液态水）中有两种使密度发生改变的因素：（1）温度降低，液态水的分子热运动减弱，分子间的平均距离减小，水体积减小，水的密度增大;（2）温度降低，水中所含有的冰晶体不容易熔解，分子间的平均距离增大，水体积增大，水的密度减小。在一大气压下，低于100℃的液态水降至水温为4℃的温度段（不包括4℃），第一种因素占优势，所以一般水的温度越低，密度越大。

（二）4℃的水密度最大

低于100℃的液态水降至水温为4℃时，此时缔合作用最大，这些H2O分子堆积最紧密，此时水摩尔体积最小，从而水有最大的密度。

（三）4℃以下的水的密度及体积随温度的变化情况

由简单分子结合成较复杂的分子集团而不引起物质化学性质改变的过程，称为分子的缔合，缔合是放热过程，相反的过程称为离解，离解是吸热过程。温度降低，平衡向放热方向移动，即平衡向右移动，水的缔合程度增加（n增大），水的缔合作用增大。反之，温度升高，平衡向吸热方向移动，即平衡向左移动，水的缔合程度降低（n减小），离解程度增加。

温度为4℃以下的水，水中也有两种使密度发生改变的因素：（1）温度降低，液态水的分子热运动变缓，分子间的平均距離减小，水体积减小，致使水的密度增大;（2）温度降低，水的缔合程度增加，水中所含有的冰晶体逐渐形成，分子间的平均距离增大，水体积增大，致使密度减小。在1大气压下，水温低于4℃时，后一种因素占优势。

（四）4℃与0℃水密度的比较

水的温度从4℃降至0℃时，全部分子缔合成一个巨大的、有较大空隙的缔合分子、宏观上结成巨大的缔合物——冰。据推算，在接近0℃的水中大约有0.6%的冰晶体，温度继续降低时，出现较多的（H2O）3及具有冰结构的较大的缔合分子，它们结构较疏松，这些冰晶体的逐渐形成引起了体积增大，致使密度减小。所以0℃比4℃的水密度小。

（五）比较0℃的水与0℃冰的密度

当0℃水凝结为冰时，热运动能减小，形成了四面体结构的氢键[2-3]缔合空隙，体积变大，所以0℃的冰要比0℃水的密度大，这就是水结冰体积膨胀的反常现象。

三、结论

从微观上分析水分子的缔合作用来讨论水的密度及体积随温度的反常变化原因，以让学生对水的水热胀冷也胀的反常现象形成清晰地认识，从而更好地理解寒冷地区的江河水体不会完全冻到最底层，水中的生物才能熬过冬天，得以越冬等这些自然现象，从而促进教学。

参考文献

[1] 秦允豪.热学第四版[M].北京：高等教育出版社，2018.337.

[2] 秦允豪.热学第二版[M].北京：高等教育出版社，2004.161-172.

[3] 李椿.热学第二版[M].北京：人民教育出版社，2010.168-183.