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知乎-02:水结冰后体积为什么会膨胀?- 准固态 精选

已有 3708 次阅读 2018-4-12 18:27 |个人分类:水之魂|系统分类:科普集锦

【观测事实】密度(温度) 曲线显示四温区震荡:


0.96(100) >> 1.0(4) >> 0.92(-15) >> 0.94(-170) >>基本恒定 


【计算与实验】证据显示:


【1】氢键(O:H-O)两分段有各自的比热。冰水的的比热是它们的叠加 - 把全温区分成四温段: 液态,固态、超冷态、和液-固态间的准固态。


【2】 由于O:H-O键分段比热的差异和O-O间的耦合作用,变温时,相对比热较低的一段服从常规热胀冷缩规律,而另一段反之,导致在准固态温区内,H-O受冷收缩O:H受冷膨胀而且后者远大于前者使O:H-O伸长。故在结冰时体积膨胀。


【3】在液态和固态温区,冰水表现为常规的热胀冷缩,而微观过程与【2】相反。


【4】在超冷温区 <=100K, 因为两段比热近零,所以O:H-O长度对温度不敏感,无明显体积变化。


【5】准固态相边界是密度极值点,且靠近冰点和熔点;O:H结合能主导冰点,H-O键能主导熔点;相边界可以通过改变分子配位数,电场,水合(食盐和糖等)外界参量调制,故出现过冷和过热。


参考文献:


【1】Sun, C.Q., et al., Density and phonon-stiffness anomalies of water and ice in the full temperature range. J Phys Chem Lett 2013. 4: p. 3238-3244.

【2】 Zhang, X., et al., Ice Regelation: Hydrogen-bond extraordinary recoverability and water quasisolid-phase-boundary dispersivity. Sci Rep 2015. 5: p. 13655.

【3】Huang, Y.L., et al., Hydrogen-bond relaxation dynamics: Resolving mysteries of water ice. Coordination Chemistry Reviews, 2015. 285: p. 109-165.


评论: 任何脱离氢键弛豫解释冰水反常物性都难免有臆断之嫌。



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2 刘全慧 丁迅雷

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