水的结构和反常性质

水的反常膨胀及其微观解释在一般情况下，当物体的温度升高时，物体的体积膨胀、密度减小，也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。

然而水在由0℃温度升高时，出现了一种特殊的现象。

人们通过实验得到了P－t曲线，即水的密度随温度变化的曲线。

由图可见，在温度由0℃上升到4℃的过程中，水的密度逐渐加大；温度由4℃继续上升的合过程中，水的密度逐渐减小；水在4℃时的密度最大。

水在0℃至14℃的范围内，呈现出“冷胀热缩”的现象，称为反常膨胀。

水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释。

物质的密度由物质内分子的平均间距决定。

对于水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变大，所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合的单个水分子个数决定。

具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。

当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。

综合考虑两个因素的影响，便可得知水的密度变化规律。

在水中，常温下有大约50％的单个水分子组合为缔合水分子，其中双分子缔合水分子最稳定。

多个水分子组合时，除了呈六角形外（如雪花、窗花），还可能形成立体形点阵结构（属六方晶系）。

每一个水分子都通过氢键，与周围四个水分子组合在一起。

边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子组合，形成一个多分子的缔合水分子。

由图可知，缔合水分子中，每一个氧原子周围都有——4个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧原子之间是共价键，组成水分子；另外两个氢原子属于其他水分子，靠氢键与这个水分子组合在一起。

可以看出，这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分于排列得比较松散，分子的间距比较大。

由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化。

一是缔合水分子中的各单个分子排列有序，二是各分子间的距离变大。

水的反常膨胀出现的原因
水是我们所熟知的最常见的物质，它有很多用途，无论是在世界上任何地方都不可或缺。

然而，大家都知道，水的物理性质受到很多因素的影响，有时，它会出现一种称为“反常膨胀”的现象。

水的反常膨胀旨在指的是当水的温度相对温度较低时，它的体积会增加，即当水的温度下降时会膨胀，这是水的一个古老的物理现象，此外，水的性质也会受到其它一些物理因素的影响。

反常膨胀的原因主要源自水分子中氢键的存在。

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水的三态变化和循环水是地球上最重要的物质之一，它在自然界中以三种不同的状态存在：固态、液态和气态。

在水的循环过程中，它不断地从一个态转变到另一个态，这个过程对地球上的生命和环境起着至关重要的作用。

一、固态水固态水即冰，是水在低温下凝结形成的。

当温度低于0摄氏度时，水分子开始慢慢减慢运动，逐渐接近静止状态，并形成紧密有序的结构。

在此状态下，水分子之间的相互作用力增强，使得水分子排列成规则的晶格结构，形成了冰的晶体。

冰对地球的生命和环境有着重要的影响。

首先，冰在冬季覆盖在河流、湖泊和海洋表面，起到了保温和调节温度的作用。

其次，冰的融化是冰川、冻土和高山雪融水的主要来源，它们在融化时释放水分，滋润着土地和供给生物生活所需。

二、液态水液态水即我们常见的水，是水分子在一定温度范围内运动自由的状态。

当温度在0摄氏度到100摄氏度之间时，水分子的热运动足够剧烈，无法形成结晶结构。

水分子在液态状态下，相互之间以较弱的相互作用力连结，可以自由流动。

液态水广泛分布于地球表面，包括河流、湖泊、海洋和大气中的水蒸气等。

水的液态状态使得它成为生命得以存在和持续发展的基础。

在生物体内，水是一种溶剂，可以有效地溶解许多物质，为生物提供必需的养分。

同时，水的高热容量使得它在地球上起到调节温度的作用，减缓了气温的波动，使得气候变得相对稳定。

三、气态水气态水即水蒸气，是水在高温下变为气体状态。

当温度超过100摄氏度时，水分子的热运动剧烈到足以克服相互作用力，使水分子逃离液态状态，转变为气体。

水蒸气是地球大气中含量最多的气体之一。

水蒸气在大气中的存在形式包括云、雾和雾露等。

它在液态水蒸发、植物蒸腾、湖泊和河流蒸发等过程中释放到大气中。

与此同时，水蒸气也能在冷却的过程中凝结为云和雾，最终形成降水，如雨、雪或冰雹等。

水的循环是地球上水资源得以再生和重新分配的过程。

在水的循环中，太阳能的热量驱动水从液态蒸发成为水蒸气，上升至大气中形成云，最终降落为降水。

不符合热胀冷缩的物质热胀冷缩是物质在温度变化时出现的一种现象，大部分物质在受热时会膨胀，受冷时会收缩。

然而，并非所有物质都符合这一规律，存在一些特殊的物质不符合热胀冷缩的特性。

1. 液体水液体水在低于4摄氏度时，会出现反常的体积变化。

在低于4摄氏度时，水的体积会随着温度的降低而增大，而不是像大部分物质一样收缩。

这是由于水的分子结构特殊，当温度降低时，水分子形成的网状结构会导致体积的增大。

2. 铝合金铝合金是一种常用的结构材料，具有轻质、高强度等优点。

然而，铝合金在受热时却表现出不同寻常的性质。

当铝合金受热时，其体积并不会像普通金属一样膨胀，反而会发生收缩。

这是因为铝合金中的合金元素会影响其晶格结构，使其在受热时发生收缩。

3. 气体与固体和液体不同，气体的体积变化与温度的关系并不是简单的线性关系。

根据热力学原理，气体的体积与温度之间存在着复杂的非线性关系，不同气体在不同温度下的体积变化也各不相同。

因此，气体不符合常规的热胀冷缩规律。

4. 水银水银是一种常见的金属，具有较低的熔点和较高的沸点。

然而，水银在受热时却表现出与大部分金属不同的特性。

当水银受热时，其体积并不会像普通金属一样膨胀，反而会发生收缩。

这是由于水银的原子间力较强，受热后原子间距会缩短，导致体积的减小。

5. 磁性材料磁性材料是一类特殊的物质，具有磁性。

磁性材料在受热时的体积变化与普通材料也存在差异。

在受热时，磁性材料的磁性会发生变化，导致其体积的变化。

具体而言，铁磁性材料在受热时会发生磁热效应，使其体积发生变化。

总结起来，不符合热胀冷缩的物质主要包括液体水、铝合金、气体、水银和磁性材料。

这些物质在受热或受冷时，其体积变化与常规物质不同，不符合热胀冷缩的规律。

题型：1.填空题、2.看图填空、3.简单题、4.计算题或论述题。

复习要点第一部分：水化学概述1.水的特殊（反常）性质与分子结构的关系。

何谓分子的缔合？何谓氢键？关系：水分了是具有偶极矩的强极性分了，这种结构成为水具有许多反常性质的主要原因；水分子的缔合:水分了的偶极矩相互吸引，并通过“氢键”而形成多分了的聚集状态。

这种由简单分了结合成比较复杂的分了，而不引起物质的化学性质改变的现象，称为分了的缔合。

氢键：与负电性强的元素（尤其是氟和氧）作共价结合的氢原子，还可以再和此类元素的另一原子相结合。

此时所形成的第二个键，称为氢键。

2什么叫水的离子积？写出表达式。

练习溶液的pH值计算。

\H+]OH-]_K水的离子积:水的离解平衡式为[玦0] ”或间[°成]=犬””2。

],几乎在所有溶液中，H2O的活度接近1.0,因此不考虑H2O的平衡常数，贝ij Kw=[H+][OH-],称为水的离了积。

表达式：Kw=[H+][OH-]pH 值计算：pH=-lg[H+]3.解释硬水、软水、暂时硬度、永久硬度。

硬水软化的常用方法有哪些。

硬水：溶有较多量Ca2+和Mg2+的水叫做硬水。

软水：溶有少量Ca2+和Mg2+的水叫做软水。

暂时硬度：由碳酸氢钙或碳酸氢镁引起的硬度，叫做暂时硬度。

永久硬度：如果水中溶有Ca和Mg的硫酸盐或氯化物，则不能用加热的方法去掉Ca和Mg 的离子，这种硬度叫永久硬度。

方法：1.药剂软化法：采用石灰、纯碱、碳酸三钠和硼砂等药剂中的一种或几种。

反应结束后澄清就得到软水。

（操作复杂但成本低，适于处理大量的高硬度的水，常作为水软化的初步处理。

）2.离子交换法：现代使用盐型离子交换树脂来降低水的硬度。

3其他方法：过滤法：在大规模滤水时，使用由沙砾和石子组成的过滤器；小规模的过滤采用烧结玻璃、特制的过滤材料和过滤膜等。

过滤法只能除掉不溶性杂质。

蒸馅法。

第二部分：压水堆的放射性1.压水堆放射性物质的来源及组成？压水堆核电厂一回路冷却剂中主要的裂变产物有哪些？列出其中6中主要核素。

水的反常膨胀原理水是一种十分特殊的物质，它在常温下呈现出了一系列反常的性质，其中最引人注目的就是它的反常膨胀性。

在一般情况下，物质受热膨胀，受冷收缩，但水在特定的温度范围内却表现出了相反的特性，这种现象被称为水的反常膨胀。

那么，水的反常膨胀是如何产生的呢？下面我们将深入探讨水的反常膨胀原理。

首先，我们需要了解水的分子结构。

水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，呈V字形结构。

氧原子带负电荷，氢原子带正电荷，这种极性结构使得水分子具有了一系列独特的性质，其中包括了反常膨胀性。

当水分子受热时，分子间的氢键开始断裂，水分子之间的距离逐渐增大，导致了水的体积膨胀。

这种现象在4摄氏度以下尤为显著，当水冷却至4摄氏度以下时，分子间的氢键开始重新形成，水分子之间的距离减小，水的体积反而收缩。

其次，水的密度变化也是导致反常膨胀的重要原因。

一般物质受热膨胀时，密度会相应减小，但水在0摄氏度以下受热时，密度反而增大。

这是因为水在0摄氏度以下会形成冰晶结构，冰的密度比液态水的密度要小，因此当水受热时，冰的密度增大导致水的体积膨胀。

这也是为什么冰能浮在水面上的原因。

此外，水的反常膨胀还与其分子间的相互作用有关。

在水的反常膨胀范围内，水分子之间的相互作用力并不是简单的范德华力，而是由于氢键的存在而变得更加复杂。

氢键的形成使得水分子之间的相互作用力在不同温度下表现出了不同的特性，从而导致了水的反常膨胀现象。

总之，水的反常膨胀是由于其特殊的分子结构、密度变化和分子间相互作用力共同作用的结果。

这一现象不仅在自然界中具有重要意义，也在工业生产和日常生活中产生了深远的影响。

对水的反常膨胀原理的深入研究不仅有助于我们更好地理解水的性质，也为我们的生产生活提供了重要的科学依据。

希望本文对水的反常膨胀原理有了更深入的了解。

水的存在形态有哪些？
水的存在形态包括：固态、液态、气态、超临界流体、液晶态。

这些形态的存在与温度、压力和介质性质等条件有关。

1. 固态：水在常压下通常呈液态，但在低温下会结冰。

2. 液态：这是水最常见的存在形态，在日常生活中随处可见。

3. 气态：水蒸气是水在加热或加压下蒸发形成的气态水。

4. 超临界流体：当水处于极高温度和压力下，其状态会发生变化，成为超临界流体。

除了上述形态外，水在液晶物质中也可能以某种形式存在。

这些存在形态与温度、压力和介质性质等条件有关，不同条件下水可能呈现不同的存在形态。

水的反常膨胀特性一、水的反常膨胀特性的实验演示水的反常膨胀的实验种类有多种，但一般学校里都没有这类设备。

现在介绍一种简易的实验装置：如图1所示，将水放在小烧瓶中，并在橡皮塞中插入温度计及细长玻璃管，管后附一标尺，使水的表面达到玻璃管的中部，然后把烧瓶放在加盐的冰（可用棒冰代）水混合物中，观察烧瓶中水的温度和体积的变化。

开始时水的温度很快地下降，玻璃管中水面也下降。

当降至4℃以下，则见管中水面反而升高。

玻璃管越细现象越明显，若取不到适当的细玻璃管，可用医院里精盐水针的白色透明的细塑料管来代替，只要将针头从橡皮塞下面穿上去，把细塑料管套插在塞头上面的针头上，然后把塑料管拉直固定就行。

二、水在0℃与4℃间有反常膨胀的特性实验表明，水在4℃以上，仍然是遵循热胀冷缩规律的，从4℃以下，即4℃到0℃间才发生反常膨胀。

水在4℃时，体积最小，密度最大。

水的这种反常膨胀现象，可以从水的密度随温度变化的图线显示出来。

如图2所示。

水的温度在0℃与4℃之间有反常膨胀现象，那么冰的体积与温度的改变有什么关系呢？为了明确这个问题，可以研究冰和水的热膨胀图线。

如图3所示，横坐标表示温度，纵坐标表示体积，纵坐标的左面表示冰的体积与温度的关系，右面表示水的体积与温度的关系，线段AB表示冰的热膨胀图线，纵坐标OB表示0℃时冰的体积，图线AB表示冰在温度变化过程中体积的变化。

由图线中可以看出冰的热膨胀现象与一般物质相同，受热膨胀，受冷缩小。

纵坐标OC表示在零度时冰所溶解成水的体积，线段BC表示零度时的冰熔解成水所减小的体积，而图线CDE表示水在加热过程中体积的变化。

在温度0℃时到4℃范围内水的体积变化是反常膨胀，如线段CD所示。

通过以上图线的研究知道，冰仍然是热膨胀冷缩的，只有在0℃到4℃的范围内的水才显示反常膨胀的现象，这是指化学上纯水而言的。

海水约在3℃时具有最大的密度。

水具有最大密度时的温度，将随着压强的增加而降低。

三、水的反常膨胀特性的原因水的反常膨胀现象，原因是水分子具有特殊的结构，但对水分子结构的研究，现代科学上还没有统一的认识，因此对水的密度的反常变化的原因还没有统一的解释方法，现在介绍常见的几种解释方法以供参考。

水。

气体检验：等收集较多气体后，
中的气体，发现它能使带火星的木条中的气体移近火焰时，气体能燃烧，火焰呈淡蓝色。

这是氢气。

解析：从宏观上看，水由氢元素和氧元素组成。

从微观上看，一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。

水分
的下标与氢气中H的下标含义不同，前者指一个
解析：本题首先要看清楚图，其次要明确氧气和氢气分别产生在哪个试管。

连电极的两个试管里都有气泡，连正
试管里产生的则是氢气。

通电时两个水分子生成一分子氧气和两分子氢气，所以氧气。

氧气有助燃的作用，不纯的氢气移近火焰时发出爆鸣声。

水的六个特性
水的沸点高、蒸发热大、热容高、反常膨胀、良好溶剂、能不断发生缔合是其六个特性。

水同其它物质一样，受热时体积增大，密度减小。

纯水在摄氏零度时密度为999.87千克/立方米，在沸点时水的密度为958.38千克/立方米，密度减小4%。

水的六个特性
水的化学成分如果按质量百分比看，含有11.11%的氢和88.89%的氧。

如果按体积来看，则有两份氢一份氧。

单独存在的水分子叫作单水分子，水分子发生缔合可构成双水分子、三水分子等。

在正常大气压下，水结冰时，体积突然增大11%左右。

冰融化时体积又突然减小。

水的冻结温度随压力的增大而降低。

大约每升高130个大气压，水的冻结温度降低1摄氏度。

水的沸点与压力成直线变化关系。

沸点随压力的增加而升高。

水的热容量除了比氢和铝的热容量小之外，比其它物质的热容量都高。

水的传热性则比其它液体小。

水的性质一：水的组成水的电解实验水通电或高温时会分解：2H 2O===电解或高温==2H 2↑+O 2↑阴极气体：H 2（能燃烧，产生淡蓝色火焰）水的电解阳极气体：O 2（能使点燃的木条燃烧更旺）实验现象：正极负极都有气体产生，一段时间后，收集两级的气体移近火焰，正极的气体带火星的木条复燃；负极的气体气体被点燃，产生淡蓝色火焰。

实验结论：⑴水在通电的条件下发生分解反应，化学方程式2H 2O=通电=2H 2 + O 2。

⑵水是由氢元素和氧元素组成⑶ 在化学反应中分子可以分成原子，而原子不能再分。

二、水的物理性质2、水的反常膨胀，冰浮在水面上。

冬天水中的生物能安全生存,这是因为水具有(反常膨胀)的特性4、水的分散性①组成：溶液的质量＝溶质的质量+溶剂的质量。

②溶质：溶质可以是固体、液体或气体。

③溶剂：最常用的溶剂是水，除水外常用的溶剂还有酒精、汽油等。

注：悬浊液、乳浊液、溶液都是混合物。

5溶解过程中的放热和吸热（1）概念：在溶解过程中发生了两种变化，一种是溶质的分子（或离子）在水分子的作用下向水中扩散，这一过程吸收热量；另一种是扩散的溶质的分子（或离子）和水分子作用，生成水和分子（或水和离子），这一过程放出热量。

（2）物质溶解过程中的两种变化：扩散过程：溶质的分子(或离子)向水中扩散，是物理过程，吸收热量水合过程：溶质的分子(或离子)和水分子作用，生成水合分子(或水合离子)，是化学过程，放出热量（3）溶解过程中的温度变化：a.扩散过程中吸收的热量>水合过程中放出的热量，溶液温度降低，如：NH4NO3溶解于水。

b.扩散过程中吸收的热量<水合过程中放出的热摄，溶液温度升高，如：NaOH、浓硫酸溶解于水。

c.扩散过程中吸收的热量≈水合过程中放出的热量，溶液温度几乎不变，如：NaCl 溶解于水。

三、水的化学性质１、水能与二氧化碳反应（空气吹入水中，加入紫色石蕊试液）H2O+CO2==H2CO3２、水能与与某些氧化物反应反应后，取上层清液，分别滴石蕊：_________滴酚酞：_________通入二氧化碳：________H2O + CaO== Ca(OH)2+CO2==22例题1冬天,带水的自来水管容易胀裂,主要是由于( )A、铁热胀冷缩B、铁冷胀缩热C、水热胀冷缩D、水冷胀热缩2水是人类宝贵的自然资源，下列关于水的性质的说法错误的是（）A水在常温下是无色液体 B水在0℃会结冰C水能溶解所有物质 D水能与一些氧化物反应３下列物质与水混合后，会使酚酞变红的是( )A、CO2 B、ＣaO C、Ca(OH)2D、 H2CO3４下列物质中，能用来检验汽油中是否渗水的是( )A、ＣuSO45H2O B、 CuO C、CuSO4D、 Cu(OH)25下图用双氧水制取干燥纯净的氧气。

水的反常膨胀及其微观解释在一般情况下，当物体的温度升高时，物体的体积膨胀、密度减小，也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象。

然而水在由0℃温度升高时，出现了一种特殊的现象。

人们通过实验得到了如图2－3所示的ρ－t曲线，即水的密度随温度变化的曲线。

由图可见，在温度由0℃上升到4℃的过程中，水的密度逐渐加大；温度由4℃继续上升的过程中，水的密度逐渐减小；水在4℃时的密度最大。

水在0℃至4℃的范围内，呈现出“冷胀热缩”的现象，称为反常膨胀。

水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释。

物质的密度由物质内分子的平均间距决定。

对于水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变大，所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合的单个水分子个数决定。

具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。

当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。

综合考虑两个因素的影响，便可得知水的密度变化规律。

在水中，常温下有大约50％的单个水分子组合为缔合水分子，其中双分子缔合水分子最稳定。

图2－4为双分子、三分子、多分子缔合水分子的示意图。

多个水分子组合时，除了呈六角形外（如雪花、窗花），还可能形成如图2－5所示的立体形点阵结构（属六方晶系）。

每一个水分子都通过氢键，与周围四个水分子组合在一起。

图中只画出了中央一个水分子同周围水分子的组合情况。

边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子组合，形成一个多分子的缔合水分子。

由图可知，缔合水分子中，每一个氧原子周围都有──4个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧原子之间是共价键，组成水分子；另外两个氢原子属于其他水分子，靠氢键与这个水分子组合在一起。

可以看出，这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分于排列得比较松散，分子的间距比较大。

由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化。

为什么水会反常膨胀？在一般情况下,当物体的温度升高时,物体的体积膨胀、密度减小,也就是通常所讲的“热胀冷缩”现象.然而水在由0℃温度升高时,出现了一种特殊的现象.人们通过实验得到了如图2－3所示的P－t曲线,即水的密度随温度变化的曲线.由图可见,在温度由0℃上升到4℃的过程中,水的密度逐渐加大；温度由4℃继续上升的合过程中,水的密度逐渐减小；水在4℃时的密度最大.水在0℃至14℃的范围内,呈现出“冷胀热缩”的现象,称为反常膨胀.水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释.水在摄氏4度时密度最大之谜多年来,科学家通过理论计算与实验,一直在进行水的非晶态多样性研究.水通常在摄氏零度时结冰.但水在摄氏零度以下时也可保持液体状态,称作过冷却水.当过冷却水到达临界点以下时就会分离出两种状态,既低密度水和高密度水.与此相对应,也存在低密度和高密度两种非晶态冰.由于水在低温时易于结冰,也由于没有非晶态冰之间互相转移的现存理论,水的非晶态多样性学说存在很多争论.其中之一就是两种密度的非晶态水是否会发生连续转移.日本科学家的这项研究,观察了高密度非晶态冰（HDA）向低密度非晶态冰（ LDA）变化的过程.发现 H DA在零下158摄氏度以下时整体均一膨胀,在零下158摄氏度时随着不均一的体积变化迅速向L DA 转移.在转移过程中,出现两种成分共存状态,随着时间推移,H DA和LDA 逐渐分离.研究证实,低温下两种水之间的转移是不连续的.科学家认为,这项研究成果是揭开水领域各种问题的重大突破,将对今后过冷却水等研究产生重大影响,同时将带动对同温层中的云的研究及在冰点下活动的动植物细胞内存在的过冷却水的研究.如果今后能够控制这两种水的临界点,就可以自由控制水的结晶,对人类控制地球环境和开发生物冷却保存技术极有价值.和氢键有关液态水,除含有简单的水分子(H2O)外,同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等,当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在,当温度升高到3.98℃(101kPa)时水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在,分子占据空间相对减小,此时水的密度最大.如果温度再继续升高在3.98℃以上,一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了.水温降到0℃时,水结成冰,水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子,在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键,两个氢键),如图所示.这样一种排布导致成一种敞开结构,也就是说冰的结构中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小.另外,拆散缔合分子需要消耗一定的能量,这也足以说明为什么水有较大的比热的缘故这里所说的“缔合分子”就是因为氢键而形成的.氢键形成的主要原因是阴离子夺取电子的能力很强,使非同分子的氢原子也向它靠近,它是一种比分子间作用力强的多的力,因而可以使很多分子集中在一起,形成超大规模的分子集团,可使物质的融沸点升高.。