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为什么水从上方冻结?

阅读时间: 6 分钟


平价 雅克·特雷纳(Jacques Treiner), 巴黎大学

一个高山湖泊。 在冰箱里的冰桶。 北极海冰。 在所有情况下,水都从上方冻结。 对于高山湖泊,冰层不是很厚,此外,积雪有助于将下方的水与上方的冷空气隔离。 结果-这显然不是一个细节-就是鱼和生命可以像冰下一样继续发展到明年春天! 至于冰格托盘,每个人都有过不愉快的经历,有一天在冰格完全形成之前将其从冰箱中取出:我们相信它们是-因为顶部已冷冻-并试图取出冰格,打破薄薄的冰层。 水不仅会跳到您的脸上,还会使您失去精力。

但是为什么水会从上方冻结呢?

对于大多数物质,固相比液相致密。 一个简单的显微图像有助于理解为什么会这样。 液相有点像通过热搅拌摇动的一堆珠子(分子)。 温度越高,球彼此之间的争吵就越多,它们不断改变位置(液体流动),并且它们的平均距离增加:液体的密度降低。

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相反,当温度降低时,搅拌减小,分子的平均距离减小并且液体的密度增大。 由于液体中的温度从来都不是完全均匀的,因此最冷,最致密的部分位于容器的底部,这就是固体形成的地方。 当搅拌不再允许他们交换位置时发生固化,并且在绝对零(-273,15°C)下,热搅拌完全停止。

但是在水的情况下,其变化是不同的:在4°C以下,我们看到的是收缩而不是收缩, 水膨胀。 由于密度较小,它会在阿基米德的推动下上升-并停留在表面上,因此冰就会开始形成-并在那里停留,就像冰山在海上或威士忌杯中的冰块一样……但是为什么会出现这种异常呢? 要理解它,我们需要深入量子世界。

原子之间的键,分子之间的键

这是关于什么的? 电子围绕原子的原子核组织:它们占据靠近原子核的轨道,有点像围绕太阳的行星的轨道。

但是,在微观世界中,并非所有轨道都是可进入的。 据说电子轨道是“量化的”-只有一部分可以被占据。 它们被组织成称为电子层的状态组。 每层可以容纳一定数量的电子:第一层2个(最接近原子核),第二层8个,第三层18个,依此类推。 氢的原子核由带正电的质子组成,在第一壳中只有一个电子。 氦原子核有两个质子,在2处完成了第一个电子壳。 原子核具有三个质子的锂在第一个壳中具有两个电子,在第二个壳中具有一个电子,依此类推。 原子核由8个质子组成的氧在第一层具有2个电子,在第二层具有6个电子,因此是不完全的。

然后我们可以想象 氢原子和 un 氧原子可以键合在一起,从而使氧的第二层完成至8:这是水分子形成的方式,H20.铈 电子共享 原子核之间形成共价化学键的基础。 请注意,在这种状态下,氧原子相对于其原子核电荷具有两个电子“过量”,而发现每个氢“缺乏”一个电子。

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结果,在水分子中,正电荷的重心在空间上与负电荷的重心在空间上不一致:从技术上讲,水分子被称为具有电偶极矩。 该偶极矩是水对其他极性液体“溶解”的显着特性的起源,因为偶极子会吸引(另一方面,水不会溶解碳氢化合物,因为这些分子通常处于非极性状态)。

这些是正在发挥作用的“氢”键

让我们继续:水分子的氧核的两个电荷的过量构成了水分子的一个吸引极。 赤字 两个质子 其他 附近的分子! 这种吸引力的方向性力倾向于使分子彼此相对取向,从而使两个水分子的氢被引导向第三个水分子的氧。

因此在分子之间形成新的化学键。 这些是“氢键”,由于它们,分子可以形成聚集体。 在这些聚集体中,发现该距离大于在水分子的几何堆积中的距离。 因此,这些骨料的密度低于普通水的密度:这种骨料漂浮在水上。

在室温下,分子之间的热搅动和冲击会阻止聚集体的形成。 当温度降低时,搅拌也降低,并且分子平均更接近。 首先,聚集体形成短暂的,水的密度增加。 但是在低于4°C的情况下,情况就相反了,由氢键构成的聚集体稳定并上升到液体表面。 水分层,并且由于较冷的水在地表,因此它将首先冻结。 因此,冰是水,其结构由氢键决定。

在它们的多样性背后,冰箱,高山湖泊和冰块中的冰块有一些共同点。 我们的科学行走就像是一场游戏,在新的伪装下,人们将不得不认识到与我们共同改变其外观的同一块自然:这里是水的相变。

只要是真的, 让·佩林(Jean Perrin)说,该科学试图用简单的不可见替换替代复杂的可见,这是通过顽固地寻求多样化中的相同来完成的。

氢键超越湖泊和冰块

氢键不仅在水中形成。

只要一个分子的一个末端含有氢原子,而这些氢原子将其电子转移给一个不完整的壳原子,因此对于电子(例如氮或氟)的贪婪行为,就会形成氢键。 它们在生物系统中无处不在,在这些系统中,与共价键相比,这些键的极弱之处在于可以形成易于进化的结构。 在DNA分子中,多个氢桥连接两条链的某些碱基。 氢键也可以引发聚合过程,就像在凯夫拉尔大学一样,它具有卓越的性能。

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最后,让我们提及一个目前活跃的研究领域。 在地球表面形成的冰受表面大气压力的调节。 但是在其他环境中,压力可能会高出数千倍,例如木星和土星的某些卫星内部。 在实验室中,通过使用称为“钻石砧”的细胞,我们能够证明 冰晶的七个阶段 !


要了解更多信息,请参阅Alain Gerschel的书,题为“分子间键:凝聚态中的作用力”,该书由EDP Sciences于2012年出版.谈话

雅克·特雷纳(Jacques Treiner),理论物理学家,LIED-PIERI实验室的副研究员, 巴黎大学

本文改编自 谈话 根据知识共享许可。 阅读原创文章.

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