热水为什么比冷水先冻成冰？

yufeng101877 · 发表于 2004-3-8 08:19:30

为什么热水比冷水先冻成冰？

yufeng101877 · 发表于 2004-3-24 18:11:29

为什么热水比冷水先冻成冰 ?
摘要：100℃的热水与0℃冷水同时放入冰箱中会发现热水比冷水先冻成冰。为什么呢？水的特殊性在于氢键，而水成冰时，发生了缔合作用，这是本文的研究点。
关键词：100℃. 0℃. 氢键.  缔合作用
一. 热水温度高，水分子不断运动，这比冷水的水分子运动激烈。液体分子的热运动：实验充分说明，液体中的分子与晶体及非晶态固体的分子一样在平衡位置附近作运动。在同一单元中的液体分子振动模式基本一致，不同单元中分子振动模式各不相同，这与多晶体有些类似。但是，在液体中这种状况反能保持一短暂时间。以后由于涨落等其他因素，单元会被破坏及重新组成新单元。液体中存在一定分子间隙也为单元破坏及重新组成创造条件。虽然任一分子在单元中居留时间长短不一，但是在一定温度. 压强下，液体分子在单元中平均居留时间i却相同。一般分子在一个单元中平均振动100~1000次。可将液体分子的热运动作如下比喻：所有分子都过着游牧生活，短时间迁移和比较长期定居生活相互交替。两次迁移之间所经历平均定居时间i比分子在单元中振动的周期长得多。i大小与分子力及热运动这一对矛盾有关。分子排列越紧密，分子间作用力越强，分子越不易移动，i也越大；温度越高，分子热运动越剧烈，i越小，分子也越易迁移。通常情况下，外力作用在液体上的时间总比平均定居时间i大得多。在这时间内，液体分子已游历很多个单元，从而产生宏观位移。
   我们都知道，热水的温度高，水分子运动激烈，冷水的温度低，水分子运动缓慢。在水成冰的过程中，热水不断放热，当100℃的热水冷却至0℃时，需要一段时间，也就是热水中水分子剧烈运动，不断用碰撞方式给先冷却的部位传递能量，当整个水部分都在0℃的冷水的状态时，也同时结合氢键，而此时，并不是人们想象100℃热水变成0℃冷水，0℃冷水才开始凝聚成冰，这显然，100℃的热水比0℃冷水在冰箱中，0℃的冷水更快结冰。可是，事实正好相反，100℃的热水比0℃的冷水先冻成冰了，这可能由于氢键的作用。
二．氢键：由于人们发现了氢键，更让水的特殊性表现出来，让我们来看一下100℃的热水在变成0℃的冷水时释放的热量△G与T的关系曲线图：

                        图一
从图中，我们可以看到，这是一条直线而不是一条曲线，可知热水放热过程很平稳，而不会出现忽高忽低的现象，但是在热水降温这段时间，冷水在逐渐变成冰，可没有完全变成冰。让我们再来看冰的结构图形：

                        图二
   冰的形成是水的缔合作用（由简单的分子结合成为较复杂的分子集团，而不引起物质化学性质的改变的过程，称为分子的缔合）
   水分子能发生缔合的主要原因是由于形成分子间氢键，在冰晶体中，具有单个共价键的一个氢原子与吸引电子能力很强的氧元素结合成共价键时，其电子云被氧强烈地偏向氧这种共价键的离子性很强的原子，以致使氢原子成为“裸露”的质子。这时，这个半径很小，带部分正电荷的“裸露”的氢离子除与氧结合外，还可与另一个负极性离子相结合，这种结合键称为氢键。由此可见，一个氢原子共它具有氢键，则它可以以两个结合键分别与两个原子相结合，一个是有极性的共价键，另一个是氢键的键能约为20KJ/mol，比共价键小得多。氢键是水和冰的主要结合形式，也是水具有很多特殊性质的原因。下面是水的结构图：

                     图三
其中氢键的键能是约为20 KJ/mol，键长是276pm。
而氢键的形成与断裂是水能发生缔合的主要原因。要把水煮沸腾，就必须需要能量，就是把水分子之间的氢键砍断，而热水在冷却时氢键的生成，就构成了一个巨大的分子，从而形成了冰，如图二。
水发生缔合是水中含有的简单分子结合成为复杂的分子集团，而不引起物质化学性质改变的过程。可用一个可逆过程的反应式子表示：nH2O=(H2O)n，当缔合分子与简单分子处于平衡状态时就不会有缔合过程与离解过程出现，一旦这个可逆过程被破坏，就是水变成冰，冰变成水，冰与水的反复循环的过程。
因为缔合是放热的过程，离解是吸热过程，所以，温度升高，水的缔合程度降低（n减小），高温时水主要以单分子状态存在；温度降低，水的缔合程度增大（n变大），0℃时水结成冰，全部水分子缔合成一个巨大的分子。
当热水还是100℃时，水主要以单分子状态存在，当热水变成冷水的过程中，水中的单分子逐渐变成缔合分子，但是单分子依然占主导地位，由此可见，反应不断向发生缔合分子方向进行，就更有利成冰，而0℃的冷水，由于温度较低，水的成分有单分子状态和缔合分子状态，而当单分子状态不断向缔合分子状态时，缔合分子逐渐变多，当单分子状态和缔合分子状态达到平衡时，就会达到平衡状态。而100℃的热水在冷却过程中不断放热，从而为氢键的形成提供外界能量，也同时让单分子状态分子占主导地位，不断向生成缔合状态分子发生，也就是生成冰的方向发生，当氢键不断形成，把缔合分子缔合成一个巨大分子时，热水全部变成冰。而冷水由于达到缔合过程与离解过程平衡，此时虽然有氢键生成，但是很缓慢，因为0℃的冷水无法不断提供外界能量，只有当氢键慢慢地生成时，从而打破上一阶段的平衡，冷水仍然向生成冰的方向反应，而此时，热水早已由于氢键生成较快而缔合成一个巨大分子，即冰。因此热水比冷水先冻成冰。
由以上结论及氢键的生成过程，发生缔合过程可知，热水比冷水更易成冰。

研究这个课题的作用
由于人们的习惯，总以为冷水比热水先冻成冰。然而，事实并非如此，而是热水比冷水先冻成了冰。为了研究这个课题，经过多方面的寻找资料，我们虽然未能完全解决这个问题，但是经过研究《为什么热水比冷水先冻成冰》，从而寻找一个更快结冰的方法，也为其它领域提供作用。
在生活中，特别是在夏季中，人们需要冰冻的东西更多，所以为了更快更多地满足人们的生活需求量，当人们认识热水比冷水更快结冰时，就会对如：水.奶油.汤等等稍微加热以下，然后冷冻就会更节约的时间了。
在艺术领域，娱乐领域，冰雕常常需要更多的冰，而在急促的时间里，要完成任务，明白了这一个课题，就应用热水，再急速冷冻，就能满足需要了。
… …

zr2004 · 发表于 2004-3-25 01:00:28

原来如此

wangganghand · 发表于 2004-3-29 08:46:11

物理化学的知识

xiaojia · 发表于 2004-4-9 10:19:01

道理这么深呀！我只需记住结论就行了！这是有趣的现象！

速水 · 发表于 2004-4-11 16:52:45

我记得这是一个中学生首先提出的.

寂寥 · 发表于 2004-4-20 19:12:59

受教了，多谢楼主

kkel · 发表于 2004-4-20 22:47:27

国外有哪个国家有个小孩在做冻冰的时候，发现热水先冻好，不知原因，问他的老师，老师没有解答，再问其他人，也没有解答，所以这个男孩就一直在找这个问题的答案，最后他成了这方面的专家，他发现这个问题并不简单，涉及到很多领域，而且从此有很多人研究这个问题。这个男孩（现在是科学家）的名字我没记住，但他提到热水先被冻冰的问题冰自己解决的精神是值得学习的。以上文章我想只是很多研究里的一片吧，所以不用紧张，这个问题早有人提出来并研究了。

yufeng101877 · 发表于 2004-4-21 16:05:07

但是他没有做出，我做出了

yufeng101877 · 发表于 2004-4-21 16:11:35

回复寂寥
谢谢你支持我

布士 · 发表于 2004-4-30 14:38:23

是你做出的？？不相信

龙非虎 · 发表于 2004-4-30 15:53:15

你是谁？很热心阿！！！

fslin · 发表于 2004-4-30 17:03:49

受教了，真的是难以想象啊～～～～～～～～～～～

yufeng101877 · 发表于 2004-5-1 16:04:01

回复布士：这就是我做的，希望我给你帮助哦！

yufeng101877 · 发表于 2004-5-3 13:23:42

回复————————————————————————————
fslin
谢谢你拉

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