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【转载】哪些物质是冷涨热缩?  

2015-12-08 15:30:51|  分类: 科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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誘♂惑わ 2008-09-12
有3种,分别是有锑、铋、镓等金属。  
冷胀热缩的原理 物质的密度由物质内分子的平均间距决定。
(以水为例)
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。
 在液态水变成固态水时,即水凝固成冰、雪、霜时,呈现出缔合水分子的形状。此时,水分子的排列比较“松散”,雪、冰的密度比较小。 将冰熔化成水,缔合水分子中的一些氢键断裂,冰的晶体消失。0℃的水与0℃的冰相比,缔合水分子中的单个水分子数目减少,分子的间距变小、空隙减少,所以0℃的水比0℃的冰密度大。
用伦琴射线照射0℃的水,发现只有15%的氢键断裂,水中仍然存在有约85%的微小冰晶体(即大的缔合水分子)。若继续加热0℃的水,随着水温度的升高,大的缔合水分子逐渐瓦解,变为三分子缔合水分子、双分子缔合水分子或单个水分子。这些小的缔合水分子或单个水分子,受氢键的影响较小,可以任意排列和运动,不必形成“镂空”结构,而且单个水分子还可以“嵌入”大的缔合水分子中间。在水温升高的过程中,一方面,缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐加大,水分子的堆集程度(或密集程度)逐渐加大,水的密度也随之加大。
另一方面在这个过程中,随着温度的升高,水分子的运动速度加快,使得分子的平均距离加大,密度减小。考虑水密度随温度变化的规律时,应当综合考虑两种因素的影响。在水温由0℃升至4℃的过程中,由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用,比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大,所以在这个过程中,水的密度随温度的增高而加大,为反常膨胀。 
 水温超过4℃时,同样应当考虑缔合水分子中的氢键断裂、水分子运动速度加快这两个因素,综合分析它们对水密度的影响。由于在水温比较高的时候,水中缔合数大的缔合水分子数目比较小,氢键断裂所造成水密度增加的影响较小,水密度的变化主要受分子热运动速度加快的影响,所以在水温由4℃继续升高的过程中,水的密度随温度升高而减小,即呈现热胀冷缩现象。 
 在4℃时,水中双分子缔合水分子的比例最大,水分子的间距最小,水的密度最大,水的体积最小。  
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