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[物理現象] 為何水於0度C至4度C 會熱縮冷脹?

一般物理理現象告訴我們
物體遇熱會膨脹,遇冷會收縮。
因為多數晶體轉變為液相時,無序度增大,分子間平均距加大,而密度會變小,相反的體積會變大。
這是大家都了解的現象,然而水呢? 當他在0度C~100度C 和其他物質一樣都會熱脹冷縮,可是到了0度C~4度C時,卻出現了熱縮冷脹的奇特現象,導底為何水有如此奇特的現象呢??
而這就相當是值得探討的事了~~~!!

在了解水的熱縮冷脹的特性時,我們必須了解水是極性分子,由於他是極性分子又有氫鍵的關係,使得水有三種形式,分別是單分子、雙分子 及三分子的水


 
我們從上圖可知,二聚水兩分子正負極相反,所以結合時最為緊密、體積也較小。
則三聚水因首尾相連架成了三角型,所以暫有空間較大。
至於會有這麼多種的形式...我想是因為在降溫時,物種想保持更安定之狀態,所以會尋求像二聚水的狀態(分子間作用力,LIKE 靜電吸引力)
 
然必須留意的事,分子與分子間有斥力(氧vs氧,氫vs氫),當如果溫度不斷的下降,到了一個臨界點後就沒辦法保持二聚水之狀態,最後會以三聚水的形式穩定存在(達熱平衡)
(有點讓我覺得一個是動力學產物和熱力學產物)
 
依據實驗數據顯示,在4度C狀況下,主要以二分子水的形式為主
也因於4度C三聚水較少,以二聚水為主使得水體積變小、密度變大,也就是熱縮冷脹的現象。


至於0度C的水~0度C的冰 為何在過程中體積會改變?
簡言之就是水的相變從由近程有序變至遠程有序。怎麼說呢! 因為水有氫鍵(氫橋)的關係在(見下圖),


下方為網路截圖:                           A.水之間的鍵結  


B.為冰的結構
因冰的結構中有氫橋的關係,使得結構變微鬆散(這也是為何水結冰結體積會變大)
而當冰融結時(見C圖),單分子一線近孔道中,造成體積變小、密度增加,直到4度C密度最大。

為網路截圖:C. 冰溶解

The bond formed between permanent dipoles in adjacent molecules is referred to as the ‘hydrogen bridge’. When water freezes, this bridge aligns the molecules into a regular and relatively open structure, which is why ice is less dense than water: on melting, adjacent molecules pack together closely in a more random arrangement.


 



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2011.12.03 補充 影片與圖片 和一些修正
參考資料:
http://ibchem.com/IB/ibnotes/brief/bon-sl.htm
http://www.pnl.gov/science/highlights/highlight.asp?id=547
http://faculty.bemidjistate.edu/erave/Water1.htm
http://www.lsbu.ac.uk/water/icosahedra.html
http://chem-guide.blogspot.com/2010/04/structure-of-water.html
http://staff.jccc.net/pdecell/chemistry/bonds.html
http://facweb.bhc.edu/academics/science/robertsk/biol100/chemistry.htm
http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/applychem/waterphys.html
booK:
從微觀是借到宇宙演化
chemical and structure 

 
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