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冰(水的固态形式)

冰是由水分子有序排列形成的结晶,水分子间靠氢键连接在一起形成非常“疏松”(低密度)的刚性结构(图2-3)。最邻近水分子的OO 核间距为0.276nm,OOO键角约为109度,十分接近理想四面体的键角109 度28分。但仅是相邻而不直接结合的各水分子的O一O 间距要大的多,最远的要达0.347nm。每个水分子都能缔合另外4 个水分子,形成四面体结构,所以水分子的配位数为4。 [1]

冰是无色透明的固体,分子之间主要靠氢键作用,晶格结构一般为六方体,但因应不同压力可以有其他晶格结构。密度比水小。

在常压环境下,冰的熔点为0℃。0℃水冻结成冰时,体积会增大约1/9(水体积最小时为4℃)。据观测,封闭条件下水冻结时,体积增加所产生的压强可达2500大气压

冰的熔点与压强存在着一种奇妙的关系:在2200大气压以下,冰的熔点随压力的增大而降低,大约每升高130个大气压降低1摄氏度;超过2200大气压后,冰的熔点随压力增加而升高:3530大气压下冰的熔点为-17℃,6380大气压下为 0℃,16500大气压下为 60℃,而20670大气压下冰在76℃时才熔化,称为名副其实的“热冰”。冰在0℃下密度为0.917 g/cm&sup3,而水的密度正常为1.00g/cm&sup3,所以冰会浮于水上。

冰是水在自然界中的固体形态,在常压环境下,温度高于零摄氏度时,冰就会开始融化,变为液态水。日本一个研究小组发现,冰开始融化的时候,是以结晶内的一个水分子开始脱离结晶为契机,相关机制有助于弄清含水的蛋白质出现结构变化的机制。

如果用电灯等的强光照射,冰的内部就会融化,浮现出称为“冰花”的类似雪结晶的形状。来自日本分子科学研究所和冈山大学的研究人员为了调查冰从内部开始融化的现象,利用计算机演算了由约1000个水分子形成的冰被加热时将发生什么变化。

冰的结晶是水分子呈六角形规则排列的结构。加热之后,首先是一个水分子从结晶脱离,开始自由运动,而这个水分子并不会回到原来的位置,从而导致结晶出现歪曲。而结晶一旦出现歪曲,就会逐渐扩大,最终整个结晶分崩离析,变为液体形态。

水的热胀冷缩是反常的,水在低于4度时热缩冷胀,导致密度下降,而大于4度时,则恢复热胀冷缩。这是水最重要也是最奇特的特性之一。

这是保障生物存在的很重要的一点,当水结冰的时候,冰的密度小,浮在水面,可以保障水下生物的生存。当天暖的时候,冰在上面,也是最先解冻。但如果冰的密度比水大,冰会不断沉到水下,天暖的时候也不会解冻,来年上面的水继续冰冻,直到所有的水都成了冰,那所有的水生生物都不会存在了。

古书记载

冰 (《本草拾遗》)

【异名】凌(《纲目》)。

【来源】为水凝成的无色透明的固体。

【性味】《本草拾遗》:味甘,大寒,无毒。

【功用主治-冰的功效】退热消暑,解渴除烦。

治伤寒阳毒,热甚昏迷,中暑烦渴。

①、《本草拾遗》:主去热烦。

②、《日用本草》:解烦渴,消暑毒。

③、《纲目》:伤寒阳毒、热甚昏迷者,以冰一块置于膻中,良。

亦解烧酒毒。

【用法与用量】内服:含化.外用:罨敷。

热冰:除了前面提到高压下形成的热冰之外,重水(D2O)在3.8℃时结冰,成为另一种形式的“热冰”。

水是一种特殊的液体。它在4℃时密度最大。温度在4℃以上,液态水遵守一般热胀冷缩规律。4℃以下,原来水中呈线形分布的缩合分子中,出现一种像冰晶结构一样的似冰缔合分子,叫做"假冰晶体"。因为冰的密度比水小,“假冰晶体”的存在,降低了水的密度,这就是为什么水在4℃时密度最大,低于4℃密度又要减小的秘密。

人类已经能够在实验室里制造出八种冰的晶体。但只有天然冰能在自然条件下存在,其它都是高压冰,在自然界不能稳定存在。

天然冰中水分子的缔合是按六方晶系的规则排列起来的。所谓结晶格子,最简单的例子是紧密地堆砌的砖块,如果在这些砖块的中心处代之以一个假设的原子,便得到了一个结晶格子。冰的晶格为一个带顶锥的三棱柱体,六个角上的氧原子分别为相邻六个晶胞所共有。三个棱上氧原子各为三个相邻晶胞所共有,二个轴顶氧原子各为二个晶胞所共有,只有中央一个原子算是该晶胞所独有。

注:一般被称为干冰的物质实际是二氧化碳的固体状态,与水和冰没有关系

干冰是二氧化碳的固体形式。在正常气压下,二氧化碳的凝固点是摄氏负78.5度,在保持物体维持冷冻或低温状态下非常有用。它无色,无味,不易燃,略带酸性。干冰的密度各不相同,但通常约为 1.4至1.6 g/cm。干冰能够急速的冷冻物体和降低温度并且可以用隔离手套来做配置。到二十一世纪,干冰已经被广泛的使用在许多层面了,干冰在增温时是由固态直接升华为气态,直接转化为气体而省略转为液态的程序,因此其相变并不会产生液体,也因此我们称它做“干冰”。要将二氧化碳变成液态,就必须加大压强至5.1大气压才会出现液态二氧化碳。

由于水分子间有氢键缔合这样的特殊结构所决定的。根据近代X射线的研究,证明了冰具有四面体的晶体结构。这个四面体是通过氢键形成的,是一个敞开式的松弛结构,因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完,在冰中氢键把这些四面体联系起来,成为一个整体。这种通过氢键形成的定向有序排列,空间利用率较小,约占34-、因此冰的密度较小,约为摄氏4度时液态水的9/10。

冰融化时拆散了大量的氢键,使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”(即由氢键缔合形成的一些缔合分子),故液态水已经不象冰那样完全是有序排列了,而是有一定程度的无序排列,即水分子间的距离不象冰中那样固定,H2O分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去。这样分子间的空隙减少,密度相对冰就增大了。

温度升高时,水分子的四面体集团不断被破坏,分子无序排列增多,使密度增大。但同时,分子间的热运动也增加了分子间的距离,使密度又减小。这两个矛盾的因素在4℃时达到平衡,因此,在4℃时水的密度最大。过了4℃后,分子的热运动使分子间的距离增大的因素,就占优势了,水的密度又开始减小。

黄河流域是中华民族的摇篮,孕育了华夏五千年的文明。但是黄河带给我们中华民族的不全是好处,黄河洪水和冰害经常掠去两岸人民的财产和生命。

远在公元前四百多年,对于黄河的冰情,已有详细的记载:“孟冬之月,水始冰,地始冻。仲冬之月,冰益坚,地始坼。季冬之月,冻方盛,水泽腹坚,命取冰,冰以入。孟春之月,东风解冻,蛰虫始振,鱼上冰。”这是世界上最早的有关结冰、封冻和解冻的冰情文字记录。

陆地冰

全球陆地表面上的冰的体积,总共有26,660,000立方千米,相当于24,000,000立方千米的水。其中绝大部分的冰都集中在南极地带23,820,000立方千米。假使这些冰化成水,相当于全世界的河流的六百五十年的流量,它们足以使全世界的海洋的水位升高六十六点三米。

冰雪聪颖、如履薄冰、冰天雪地、玉洁冰清、瓦解冰销(瓦解冰泮)、夏虫不可以语冰、冰消雪释、冰壶秋月、冰雪消融、冰心雪操、冰封雪飘、冰魂雪魄、冰封雪盖、冰解冻释、冰雪封路、冰弦玉柱、冰清瓦解、前嫌冰释、一片冰心、冷若冰霜、滴水成冰、如履薄冰、冰比水冷、冰寒于水、冰魂素魄、冰肌玉骨、冰洁渊清、冰解的破、冰解冻释、冰解壤分、冰清水冷、冰清玉粹、冰清玉润、冰散冰清水冷、冰清玉粹、冰清玉润、冰散瓦解、冰炭不同炉、冰炭不同器、冰天雪窖、冰消冻解、冰销叶散、冰雪聪明。

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