漂浮的冰

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生活中普普通通的水有着区别于其他物质的多种奇特性质,通过这个实验我们可以看到一个最简单的特性:密度。


(冰)

一般物质固态时的分子结合的更加紧密,所以一般物质固态的密度比液态的大,当把同一种物质的固态投进液态中时,往往是沉底的。然而水是一个特例,冰的密度(0.916)比水(1.000)小,所以冰块将浮在水面上。

实验素材

  • 冰块
  • 玻璃杯或者碗

实验步骤

  1. 在玻璃杯里盛上水
  2. 把冰块放入水中
  3. 观察冰块的漂浮状态


(海冰)

实验原理

水分子有很强的极性,单个分子内的氧原子与其他分子之间能通过氢键相互吸引,虽然氢键的作用力不如分子内的共价键强,但是当数量巨大的分子聚在一起时,氢键的作用就显著了。氢键不断的形成和断裂,液态水分子就处于更为聚合的状态。

(液态水分子)

冷却以后,水分子的振动作用减弱,渐渐落入六角形的晶格内,这种敞开结构的晶格中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小。

(冰里的水分子)
拥有这种反常特性的物质还有:硅、锗、镓、锑和铋。

生命

水是反常的物质,也幸亏水的这些特性,才能保护各种生命能在自然界中生存下去。由于冰能浮在水上,寒冷的冬天里,冰就能在水面上形成一层保护层,隔绝了水与冷空气接触,防止下面的水进一步结冰。因为水的密度在4°C时最大,所以4°C的水会在底部累积,同时依靠水的大比热,为水中的生命提供了保护和保温的功能,使得生命体能安全度过寒冬。
如果结成的冰能沉在水底,那么暴露在冷空气里的水就会继续结冰,最终的结果就是自然界的各种水体,江河湖海都结成冰块,没有哪种生命体能生活在冰块里,也就不会有生命的繁衍和进化。可以说水不但产生了生命,还保护了生命。
今天,即使是常年天寒地冻的南北极,冰壳下面的各种鱼类仍然可以生活在严冬之下相对暖和的水里。企鹅和北极熊仍然可以在冰块地下找到丰富的食物。

(浮在水上的冰)

冰山

不光是这些冰块浮在水面上,在北极或在南极附近的海面上,还有很多冰山都是浮在水面上的。冰山是非常大的,有的直径可以超过1000米。而且,冰山露出海面的体积是很小的,只占全部冰山体积的1/10,水下的冰山体积更为庞大,也更为坚硬。当年号称不沉船的“泰坦尼克号”在处女航就因为被冰山擦出了裂缝而沉没。

(冰山)

冬天的水管

因为冰的密度比水小,所以等量的水结冰后,体积会膨胀,如果将水灌在密闭空间内,水结冰的力量甚至会把密闭空间撑开,这种力量是巨大的。

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