冰是如何形成的

時(shí)間：2017-08-30 13:59:12 煒杭741由分享

冰是如何形成的

　　冰是在固態(tài)水中的12種結(jié)晶形態(tài)之一。冰傳遞冷，溫度低。很多人都好奇形成冰的原因是什么。下面由學(xué)習(xí)啦小編為你詳細(xì)介紹冰是如何形成的的相關(guān)知識。

　　冰的形成

　　冰是無色透明的固體，分子之間主要靠氫鍵作用，晶格結(jié)構(gòu)一般為六方體，但因應(yīng)不同壓力可以有其他晶格結(jié)構(gòu)。密度比水小。

　　自然界中的水，具有氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)三種狀態(tài)。常溫常壓的液態(tài)的我們稱之為水，氣態(tài)的水叫水蒸氣，固態(tài)的水稱為冰Ⅰ-h。h代表六角形，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)是0℃，其熔化熱是3.35×10^5J/kg。在每平方米146噸的重壓下，冰Ⅰ-h轉(zhuǎn)換為冰Ⅱ,3400噸轉(zhuǎn)換為冰Ⅶ，壓力的原因，溫度高達(dá)150~200℃，溫度達(dá)到-165℃時(shí)，就形成了冰Ⅺ。不利身體健康，不可過多食用。

　　冰的特性與功勞

　　水的熱脹冷縮是反常的，水在低于4度時(shí)熱縮冷脹，導(dǎo)致密度下降，而大于4度時(shí)，則恢復(fù)熱脹冷縮。這是水最重要也是最奇特的特性之一。

　　這是保障生物存在的很重要的一點(diǎn)，當(dāng)水結(jié)冰的時(shí)候，冰的密度小，浮在水面，可以保障水下生物的生存。當(dāng)天暖的時(shí)候，冰在上面，也是最先解凍。但如果冰的密度比水大，冰會不斷沉到水下，天暖的時(shí)候也不會解凍，來年上面的水繼續(xù)冰凍，直到所有的水都成了冰，那所有的水生生物都不會存在了。

　　特殊的冰

　　熱冰：除了前面提到高壓下形成的熱冰之外，重水(D2O)在3.8℃時(shí)結(jié)冰，成為另一種形式的“熱冰”。

　　水是一種特殊的液體。它在4℃時(shí)密度最大。溫度在4℃以上，液態(tài)水遵守一般熱脹冷縮規(guī)律。4℃以下，原來水中呈線形分布的縮合分子中，出現(xiàn)一種像冰晶結(jié)構(gòu)一樣的似冰締合分子，叫做"假冰晶體"。因?yàn)楸拿芏缺人。?ldquo;假冰晶體”的存在，降低了水的密度，這就是為什么水在4℃時(shí)密度最大，低于4℃密度又要減小的秘密。

　　人類已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室里制造出八種冰的晶體。但只有天然冰能在自然條件下存在，其它都是高壓冰，在自然界不能穩(wěn)定存在。

　　天然冰中水分子的締合是按六方晶系的規(guī)則排列起來的。所謂結(jié)晶格子，最簡單的例子是緊密地堆砌的磚塊，如果在這些磚塊的中心處代之以一個(gè)假設(shè)的原子，便得到了一個(gè)結(jié)晶格子。冰的晶格為一個(gè)帶頂錐的三棱柱體，六個(gè)角上的氧原子分別為相鄰六個(gè)晶胞所共有。三個(gè)棱上氧原子各為三個(gè)相鄰晶胞所共有，二個(gè)軸頂氧原子各為二個(gè)晶胞所共有，只有中央一個(gè) 氧原子算是該晶胞所獨(dú)有。

　　注：一般被稱為干冰的物質(zhì)實(shí)際是二氧化碳的固體狀態(tài)，與水和冰沒有關(guān)系。

　　干冰是二氧化碳的固體形式。在正常氣壓下，二氧化碳的凝固點(diǎn)是攝氏負(fù)78.5度，在保持物體維持冷凍或低溫狀態(tài)下非常有用。它無色，無味，不易燃，略帶酸性。干冰的密度各不相同，但通常約為 1.4至1.6 g/cm。干冰能夠急速的冷凍物體和降低溫度并且可以用隔離手套來做配置。到二十一世紀(jì)，干冰已經(jīng)被廣泛的使用在許多層面了，干冰在增溫時(shí)是由固態(tài)直接升華為氣態(tài)，直接轉(zhuǎn)化為氣體而省略轉(zhuǎn)為液態(tài)的程序，因此其相變并不會產(chǎn)生液體，也因此我們稱它做“干冰”。要將二氧化碳變成液態(tài)，就必須加大壓強(qiáng)至5.1 大氣壓才會出現(xiàn)液態(tài)二氧化碳。

　　冰與水

　　由于水分子間有氫鍵締合這樣的特殊結(jié)構(gòu)所決定的。根據(jù)近代 X射線的研究，證明了冰具有四面體的晶體結(jié)構(gòu)。這個(gè)四面體是通過氫鍵形成的，是一個(gè)敞開式的松弛結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲鍌€(gè)水分子不能把全部四面體的體積占完，在冰中氫鍵把這些四面體聯(lián)系起來，成為一個(gè)整體。這種通過氫鍵形成的定向有序排列，空間利用率較小，約占34%、因此冰的密度較小，約為攝氏4度是液態(tài)水的9/10。

　　冰融化時(shí)拆散了大量的氫鍵，使整體化為四面體集團(tuán)和零星的較小的“水分子集團(tuán)”(即由氫鍵締合形成的一些締合分子)，故液態(tài)水已經(jīng)不象冰那樣完全是有序排列了，而是有一定程度的無序排列，即水分子間的距離不象冰中那樣固定，H2O分子可以由一個(gè)四面體的微晶進(jìn)入另一微晶中去。這樣分子間的空隙減少，密度相對冰就增大了。

　　溫度升高時(shí)，水分子的四面體集團(tuán)不斷被破壞，分子無序排列增多，使密度增大。但同時(shí)，分子間的熱運(yùn)動也增加了分子間的距離，使密度又減小。這兩個(gè)矛盾的因素在4℃時(shí)達(dá)到平衡，因此，在4℃時(shí)水的密度最大。過了4℃后，分子的熱運(yùn)動使分子間的距離增大的因素，就占優(yōu)勢了，水的密度又開始減小。

　　河冰

　　黃河流域是中華民族的搖籃，孕育了華夏五千年的文明。但是黃河帶給我們中華民族的不全是好處，黃河洪水和冰害經(jīng)常掠去兩岸人民的財(cái)產(chǎn)和生命。

　　遠(yuǎn)在公元前四百多年，對于黃河的冰情，已有詳細(xì)的記載：“ 孟冬之月，水始冰，地始凍。仲冬之月，冰益堅(jiān)，地始坼。季冬之月，凍方盛，水澤腹堅(jiān)，命取冰，冰以入。孟春之月，東風(fēng)解凍，蟄蟲始振，魚上冰。”這是世界上最早的有關(guān)結(jié)冰、封凍和解凍的冰情文字記錄。

　　冰的融化方法

　　如果用電燈等的強(qiáng)光照射，冰的內(nèi)部就會融化，浮現(xiàn)出稱為“冰花”的類似雪結(jié)晶的形狀。來自日本分子科學(xué)研究所和岡山大學(xué)的研究人員為了調(diào)查冰從內(nèi)部開始融化的現(xiàn)象，利用計(jì)算機(jī)演算了由約1000個(gè)水分子形成的冰被加熱時(shí)將發(fā)生什么變化。

　　冰的結(jié)晶是水分子呈六角形規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)。研究小組演算時(shí)發(fā)現(xiàn)，加熱之后，首先是一個(gè)水分子從結(jié)晶脫離，開始自由運(yùn)動，而這個(gè)水分子并不會回到原來的位置，從而導(dǎo)致結(jié)晶出現(xiàn)歪曲。而結(jié)晶一旦出現(xiàn)歪曲，就會逐漸擴(kuò)大，最終整個(gè)結(jié)晶分崩離析，變?yōu)橐后w形態(tài)。

　　研究小組認(rèn)為，這個(gè)發(fā)現(xiàn)弄清了物質(zhì)由固體變?yōu)橐后w的瞬間，從分子級別查明了物質(zhì)融化的普遍現(xiàn)象。

　　這一成果的論文已作為封面文章刊登在20日一期的英國《自然》雜志上。