水為什麼能結冰?結冰是個怎樣的過程

時間 2021-05-12 13:45:54

1樓:農民聊科學

這看起來像是一個很傻的問題,因為就連小學一年級的孩子都知道水在0℃時會結冰,中學課本也明確寫著水的冰點是0℃,絕大多數的科學資料中也將標準大氣壓下水的凝固點定為0℃,把這個問題拿出來討論純粹就是沒事找事。

但事實果真如此嗎?我們今天就來說道說道水結冰的科學。

冰水的冰點其實遠低於0℃

當我們將一杯自來水放入冰箱,它會在0℃時就凍成冰塊,這似乎印證了課本上的說法。但如果你是一個有潔癖的人,你將杯子洗得極乾淨,再倒上一杯蒸餾水放進冰箱,就可能發現一種奇怪的現象:你從冰箱裡取出的還是一杯水,而當你把杯子放在桌子上再往裡插進一根吸管時,它凍上了。

如果你嫌洗杯子麻煩,還可以直接把從超市裡買來的純淨水直接放進冰箱冰凍室,也可以得到類似的結果。這個實驗成功的前提是你放進冰箱的一定是純淨水或蒸餾水,礦泉水或天然水都不行,同時你從冰箱裡取出瓶子時動作要十分輕柔,這個道理我們放在下面講。

一個過冷水的實驗

聰明的你一定想到了,這種現象叫“過冷水”。也就是說,你從冰箱裡小心拿出來的水實際上已經低於0℃,只是某些條件未滿足,它並不會凍成冰。

水為什麼結冰?

水在室溫下是液體,它由無數水分子組合而成,每個水分子中有一個氧原子和兩個氫原子。氧原子的最外層有兩個孤對電子,它容易從外界得到兩個電子,氫有一個電子,這樣氧就與兩個氫原子共同結合成了一個米老鼠頭形狀的水分子,兩個氫原子就像米老鼠的耳朵。

水分子3d模型

由於氫原子的電子被吸引到了氧原子的那一邊,所以水分子氫原子的這一邊帶正電,而氧原子那一邊就帶了負電,這使得水分子有了極性,這是水分子能形成氫鍵的關鍵因素。

水分子有極性

當許多水分子聚集在一起時,帶負電的氧原子會與另一個水分子帶正電的氫原子相互吸引,從而形成氫鍵,這樣每一個水分子就可能與它周圍四個水分子組成氫鍵。事實上,水的絕大多數物理和化學特性都與這些氫鍵有密切關係。

水分子通過氫鍵結合

由上面的分析我們可以看出,水分子是由氫鍵這種靜電引力相互結合在一起的,由於這種力比較弱,每個水分子都可以在自己的位置上晃動,它們之間也可以隨時變換位置,因此水在常溫下表現為流動的粘性液體。

隨著溫度逐漸降低,水分子得到的能量越來越低,它晃動的幅度越來越小,當氫鍵的靜電力佔優勢時,水分子之間的位置會相對固定下來,從而形成結晶。這就是固體的冰。

水分子在冰晶體中的排列

水發生相變的條件

水通常有氣態、液態和固態三種形式(超流體等等在此處忽略),這三種形式又被稱為水的三種相,水的相變受溫度和壓力的影響,通常體現在下面這張相變曲線圖上。

水的相變與溫度壓力關係

事實上,當水處於合適的溫度時時,它並不能馬上發生相變,水的凝結還需要另一個重要因素,那就是它需要一個凝結核。這被稱為“成核效應”,無論是氣態水凝聚為液體還是液態水結冰,單有水分子不行,它還需要有雜質參加進來,否則完成相變的溫度會發生大幅度改變。

自然界中的水大多含有豐富的雜質,其中包括一些微小的固體顆粒物和我們看不見的礦物鹽,這些雜質由於與水分子帶有不同的電荷,它們也更容易改變其周圍水分子的運動狀態。研究表明,如果這些雜質顆粒或分子帶有更多的正電荷,它就更容易讓其周圍的水分子減少振動,因為雜質的分子更大,正電荷的雜質會吸引水分子中的氧原子,將其強行固定下來,從而帶動周圍其它水分子成核形成結晶。

所有雪花都是空氣中的水氣在灰塵雜質周圍成核形成的冰晶

純水難以成核凝結

純水大多通過蒸餾或反滲透技術製成,它中間含有雜質數量極少,所以純水缺乏成核條件。現實中製備超純水很難,但科學家們已經通過實驗得出標準壓力下超純水只有在-48.3°c時才會均勻成核,這是因為在超純水中沒有雜質,儘管水分子振動幅度極小,由於沒有成核位置,它與周圍其它水分子之間的氫鍵很難固定下來,這時候水還是液態的過冷水。

過冷水始終處於結晶的臨界狀態,一旦你向其中投入凝結核,或者哪怕是一顆細小的灰塵或冰晶,它會以此為中心以極快的速度結晶,變成一整塊冰。

另一種情況是過冷水發生振動,也會迅速成核結冰。當你用玻璃棒攪動它,或者輕輕敲擊杯子,其中的一部分水分子會因受到振動改變角度,從而與相鄰水分子之間產生距離變化,這種變化會導致分子之間氫鍵的調整,從而快速結晶。

一瓶過冷水受到振動而快速結晶

當條件滿足時,水結冰就很快

高空中的溫度經常低於-10°c,但在這裡的雲層中依然存在大量液態的小水滴和水蒸氣,因為缺乏固體的灰塵和雜質,它們不會結冰。當飛機穿過這些雲層,過冷的小水滴會在機身和機翼上迅速成核結冰,這嚴重影響到航空安全,因此飛行員會根據機載雷達或按照地面指示避開這些雲層。

高空雲層中的過冷水在機翼上結冰會影響飛行安全

當我們從冰箱中取出冷凍的食品時會感覺它粘手,這是由於過低的溫度迅速使我們手指上的汗水結冰,從而將手指與食物凍在了一起。這不需要擔心,因為你手指的溫度可以在幾秒之內融化這薄薄的冰層。

相比之下你更需要留意這樣一個忠告:在北方的寒冬裡,千萬不要嘗試舔戶外的鐵柱子,冰會迅速粘住你的舌頭,給你帶來擺脫不掉的麻煩。

2樓:姜玉

水凝固成冰的一個必要條件是:必須有凝結核。純水是不結冰的,你可以用蒸餾方法得到純水,並且冷卻過程中要保持水均勻受冷、不可有擾動。

則會生成低於0℃的水,這樣的水你扔進去一點雜質就會瞬間結冰,它可以是微小的冰晶,可以是水中的懸浮物,可以是器皿的壁。

3樓:劉心安兒

這是因為溫度比較低,然後這些液體在遇冷之後,就會迅速凝結,然後就會結成冰塊;一般這些水在遇到冷空氣之後,會逐漸凝結,然後慢慢的就會變成冰。

4樓:愛小樹苗

這是因為水遇到了冷空氣,最後凝結成冰,結冰是一個非常快速的過程,如果有一定的溫度的話會瞬間結冰。

5樓:qwq閱讀小棧

原因:外界溫度達到水的凝固點。

結冰過程:水結冰的時候,溫度均為零,因此與之相關的分子平均動能並未改變。而水結冰是一個放熱過程,因此分子勢能發生改變,某一特殊區段內,分子間距離曾丹,分子勢能減小。

此時,水變成冰。

6樓:小明學科學

水在零下攝氏度下就會結冰,這是一個物理變化的過程,低溫下水分子排列變得緊湊有序,因此水變成了晶體,也就是冰。

關於水結冰的疑問,水結冰會有什麼現象?

這是物理上的過冷現象,據說在實驗室裡可以做到零下40度的過冷水,受到擾動後結冰速度很快。要用到量子力學才能完美解釋這種現象。大概說就是水處於一個不穩定平衡的狀態,就好象把一個鉛筆尖頭立在桌上一樣。所不同的是一個是熱力學的不穩定平衡狀態,一個是力學的不穩定平衡狀態。因為你的水是純淨水,並且放置平穩後,...

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