水的结晶参考资料

水晶水是地球上的重要物质，对生命尤为重要。 水有许多特殊性质。 例如，水结冰不但体积减少，反而增大，水为4C时密度最高，水的比热和气化热等比普通物质大。 这些现象都与水分子的相互作用，即结合情况有着密切的关系，因此对这个问题进行了简单的讨论。图4-库-8冰-ih的结构图水分子是极性分子，两个h-o键为104.5角。 水分子间的相互作用力是范德华力，但相互作用方式有其特殊性。 当它形成晶体(即冰)时，一个水分子的氢原子与另一个水分子的氧原子相互吸引，形成如图4-库-8所示的特殊晶体结构。 图中的大圆圈表示氧原子，小圆圈表示氢原子，其中，各个氢原子的一端与氧原子共价键(用短实线表示)，另一端与另一水分子中的氧原子以范德华力连接，这些键合方式称为“氢键”，在图中用虚线表示。 氢键本质上是范德华力，由于其强度远比另一侧的共价键弱，因此氢原子不是两个氧原子的正中间，而是由氢键连接的两个原子的距离远，在图中虚线画得比实线长。冰晶是六角晶系，它是比较特殊的晶体结构，每个水分子与另外三个水分子相连(每个水分子的两个氢原子分别与另外两个水分子的氧原子相连，其氧原子与第三水分子的一个氢原子相连)。 由于氢键的特殊方向，冰的晶体结构内部“宽阔，不像金属晶体那样密集，因此在水制冰过程中体积不像大部分物质那样缩小，反而膨胀，即冰的密度比液体水的密度大，冰在0C吸热溶解于水后，水的氢键结构只有约15%断裂，其馀的85%为但是，这15%的氢键崩溃后，体积显着缩小(约缩小1/10 )。 水的温度一上升，水的氢键结构就会逐渐崩溃，到了20C水的氢键就会变成大约一半，到了100C的沸点，水中还残留着大约20%的氢键结构。 随着温度的上升，一方面氢键结构崩溃，水的体积缩小，另一方面热膨胀现象起着水的体积膨胀这两个要素的作用。 从0C开始升温的初期阶段，由于氢键的解体发挥了主要的作用，水的体积随着温度的上升而减少，4C中体积最小，密度最大，4C以后，温度进一步上升，发挥主要作用的是热膨胀，因此4C以后，水也像很多物质一样热膨胀收缩氢键本质上是范德瓦尔斯力，但比一般的范德瓦尔斯键强。 冰在升华直接变成水蒸气的过程中吸收热，称为升华热，吸收的热大部分解氢键，小部分克服一般范德华键的作用，前者约占3/4，后者约占1/4。 具体而言，0C时的冰的升华热约为51.0 kJ/mol，其中，为了破坏氢键需要37.6 kJ/mol，其馀为13.4 kJ/mol是克服一般范德华键所需要的能量。水在温度上升过程中氢键逐渐崩溃，崩溃氢键需要很大的能量，因此水的比热比普通物质大。 水的汽化热和升华热也比一般物质大，其原因也是需要克服氢键。氢键在生命过程中起着重要作用，具体来说就是液态水。 水是生命的重要源泉，前面提到的水的一些特性，对生命是极其重要的。 水有很大的比热和汽化热，水成为地球上的热调节库。 我们地球昼夜温度变化和季节温度变化小，这是对生命生长发育极为有利的水在4C，密度最大，在4C以下冷冻过程中，体积膨胀，对流现象停止，河流湖海在冬季结冰时，从上面开始结冰，但底水仍保持4C的温度，因此水的运动和植物不会结冰水的这一切特性都与氢键有关，这是我们氢键在生命过程中发挥重要作用的原因。一般来说，每种物质在温度、压力等变化时都呈现出不同的物质状态，研究物质状态的变化对于开发新材料和新物质具有重大的现实意义，以深刻理解物质的结构和性质。熔化凝固物质从固相变为液相，从称为熔融的液相变为固相，称为凝固。在一定的压力下，结晶上升到一定的温度，熔融的温度叫做熔点，相反的过程，即从液相变化为固相的温度叫做凝固点。 在熔融和凝固过程中温度不变，但吸收或释放相变潜热。 单位质量的物质在同温度的液体中溶解时吸收的热量称为溶解热。相反过程中释放的热量称为凝固热，溶解热等于凝固热。在熔融和凝固的过程中有固相和液相，加热后变成液相，散热后变成固相。 因此，熔点(凝固点)是在一定压力下固液二相平衡共存的温度.晶体具有一定的熔点，决定晶体具有远程有序的晶格结构，破坏该结构所需的能量是一定的。 温度上升到一定值，当平均热动能达到结晶的结合能时，一个结构解离(融解)，另一个结构在同一温度下也能解离的温度是熔点。 非晶质没有远程有序的特征，近程只有有序的微观结构，破坏不同的微观结构需要不同的能量，表现为随着温度的升高逐渐软化和熔化。熔融时所需的熔融热主要破坏晶格结构，因此熔融热用于测量晶体结合能的大小。晶体的凝固和熔化构成结晶的物质粒子按一定的规则排列，这些物质粒子在一定的位置附近不规则地振动，一般不能改变平衡位置，因此具有一定的体积和一定的形状。 结晶物质的吸热温度上升，物质粒子的不规则振动加剧。 一直吸收热量到某种程度(温度达到熔点)，物质粒子的能量就会抵抗相互的力而离开各自的平衡位置，空间晶格开始崩溃，这就会熔化。 相反，液体向外散热，温度下降，物质粒子的不规则振动减弱，在一定程度上，相互的力被一定的平衡位置束缚，不能自由移动，这些物质粒子再次按一定的规则排列，它凝固，更准确地说是晶体的结晶过程。 熔融需要能量吸收(吸热)，凝固需要能量释放(散热)，在这一点上，熔融和凝固是相反的过程，但结晶的熔融和凝固不是完全可逆的过程，具体地说，熔点是结晶熔融时的温度，结晶的温度上升到熔点，进而只要从外部持续吸收热量， 结晶开始融解，融解过程中温度没有变化，温度持续上升直到完全融解，相反，液体温度下降到达熔点时的温度，持续散热的话，一定会开始结晶化吗？ 答案是否定的。 在实验中，经常观察到纯液体的温度下降到熔点温度以下液体仍未结晶的现象，该液体被称为“过冷却液体”，过冷却液体处于亚稳态。 最先发现这一现象的是温度计的发明者，德国人的情人节。 有一次，他为了观察水的结晶现象，特意把玻璃瓶清洗干净，装满水塞，在冬天的屋外冻了一夜，第二天早上，屋外变成冰屋时，发现瓶子里的水一点也没结晶。 他惊讶地提起瓶子拔掉栓子，想仔细观察，突然像魔法一样，瓶子全体的水瞬间变成了冰针。 经过认真研究发现，只要纯净的水“安静”地放在清洁的容器中，温度即使慢慢降到熔点温度以下也不会结冰。 而且，这些过冷却状态的液体只要有紊乱就会立刻结晶。 一位英国物理学家将水杨酸苯的液体静静地放在过冷却的环境中，他非常骄傲，想让听过这个贵重物品的学生看看。 学生们期待着这个奇迹，但是他移动瓶子时的微小震动，一瞬间一切都结晶了。 学生们非常遗憾，但是理解过冷却液体只是一种亚稳态的道理。结晶过程比较复杂，除了降低到熔点温度以下，继续向外散热外，液体中还有核存在的必要条件。 晶核是晶体的中心，晶体以晶核为中心逐渐“生长”。 如果液体中只有一个结晶核，结晶完成后就会形成单晶的多个结晶核，则液体分子分别以这些结晶核为中心“生长”多个结晶，各个结晶内的分子排列是规则的，这些多个结晶之间是无序的，这就是多晶体。 核可以是液体中残存的小晶粒，也可以是尘埃之类的小异物。 纯液体经常处于过冷状态，不结晶是因为缺少晶核。 当然，过冷却的液体不是绝对不能结晶的，只是很难结晶。 由于分子运动的不均匀性(称为波动现象)，一些分子可能相互靠近自发形成小晶粒，成为晶体的中心。 过冷液体受到小的干扰，自发形成核的可能性大幅度增加，很快就完成了结晶过程。 在过冷却液体中撒上细小的灰尘，过冷却液体也能在极短的时间内完成结晶过程。图4-库-11结晶凝固图像对于化学上纯粹的可结晶化的液体，可以逐渐散热，其温度的经时变化的规律如图4-库11所示的图像所示。 图中的b点对应熔点的温度值，当液体中存在足够的核时，它沿着图中的虚线BEC变化，在结晶过程中温度不变化，温度持续下降直到所有结晶完成。 但是，没有结晶核的纯液体沿着实线BDE变化，温度首先下降到熔点温度以下，成为过冷却液体，自发地形成结晶核大量结晶后，温度返回熔点温度，仅保持一段(图中EC段)的该温度，到达c点时结晶过程完成，CF段已经结晶向外散热如果液体的散热过快，液体不结晶的温度降低，变成固体，那时的固体是非晶质的，或者是玻璃状态的固体。 以前认为玻璃状态的固体只有少数物质，但像金属这样的物质只作为结晶存在是错误的。 许多实验证明材料的熔点以下存在“玻璃化转变温度”，液体冷却到熔点以下、玻璃化转变温度以上的温度区间时，液体凝固而成为结晶，与此相对，液体的冷却速度快时，温度立即超过熔点以下、玻璃化转变温度以上的“危险区域”，降低到玻璃化转变温度以下时，过冷却液体凝固而成为玻璃状态现在可以制造玻璃状金属，但工艺的关键是“快速冷却”。 图4-库-12显示制造玻璃状金属薄带的装置的模式图。 熔融的金属从石英管的细孔向急速旋转的冷铜辊的表面喷出，铜辊是热的良导体，与巨大的散热装置紧密接触，喷出的液体与铜辊接触后降温的速度快，达到1万k/ms，因此温度立即下降到玻璃化转变温度以下，凝固成玻璃状态的金属薄带。 玻璃状金属具有高于普通金属的强度，但弹性好于普通金属，电阻率大，特别是具有良好的抗辐射性能，因此在航天、核工业、控制热核反应等领域有着特殊的应用前景。图4-库-12制造玻璃状金属的装置因此，结晶的凝固过程比熔融过程复杂得多，两者并不完全相反。让我们简单谈谈溶液的结晶化。 请注意，这里的结晶化是与上述结晶凝固不同的概念。 我们以水的食盐溶液为例，海水是常见的水的食盐溶液(海水中其他成分的量很少，可以忽略)。 这里有两个问题，一个是溶质(海水中的盐)的结晶，另一个是溶剂(水)的结晶。溶质的结晶。 在水中溶解食盐的时候，如果盐的数量少的话，再加入盐也会继续溶解，这叫做未饱和溶液。水中的食盐数量多，加入盐也不溶解的话就叫做饱和溶液。 海水是盐的不饱和溶液。 使未饱和溶液成为饱和溶液的方法之一是增加溶质，一是降低温度，另一是蒸发溶剂。 溶液变成饱和溶液后，进一步降低温度，使溶剂蒸发，如果内部不存在核，则溶液变成过饱和溶液，如果存在核，则溶质析出结晶。 从海水制作食盐是通过蒸发水分使盐的结晶析出。溶剂的结晶。 以海水为例，即使冬天温度降到冰冻温度以下，水中的食盐也不饱和。 这时，再次放出热量的话，海水就会结冰，凝固的冰块(变成大冰山)浮在海面上。 融化海水中的冰，发现是淡水