01、水溫4℃上下 ， 有兩種使密度改變的效應(yīng)：一是因溫度升高 ， 液態(tài)水的分子熱運(yùn)動(dòng)加劇 ， 分子間的距離增大 ， 水的密度減?。涣硪环N是因溫度升高 ， 水中所含有的冰晶體逐漸熔解 ， 分子間的距離減小 ， 密度增大 。在1大氣壓下 ， 水溫低于4℃ ， 后一種效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；而水溫高于4℃ ， 前一種效應(yīng)占優(yōu)勢(shì) 。所以水在4℃密度最大 。
一般來(lái)說(shuō) ， 大多數(shù)物體都有熱脹冷縮的性質(zhì) ， 溫度越高 ， 物質(zhì)的密度越小 。但水卻是一個(gè)例外 ， 熱脹冷也脹 ， 只有在4℃時(shí)候 ， 體積最小 。高于4℃或低于4℃時(shí) ， 體積都會(huì)膨脹 。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“反常膨脹現(xiàn)象” 。
在水中除了單分子H2O外 ， 還有這些簡(jiǎn)單分子結(jié)合而成的較復(fù)雜的(H2O)n(n可以是2、3、4……)分子 。這種由簡(jiǎn)單分子結(jié)合成較復(fù)雜的分子集團(tuán)而不引起物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)改變的過(guò)程 ， 稱(chēng)為分子的締合 ， 相反的過(guò)程稱(chēng)為離解 。締合是放熱過(guò)程 ， 離解是吸熱過(guò)程 ， 所以溫度升高 ， 水的締合程度降低(n減小) ， 溫度降低 ， 水的締合程度增加(n增大) 。
0℃水結(jié)成冰時(shí) ， 全部分子締合在一起成為從而形成一個(gè)巨大的群體 。在冰的結(jié)構(gòu)中 ， 每個(gè)氧原子與4個(gè)氫原子相連接而成四面體 ， 每個(gè)氫原子與兩個(gè)氧原子相連結(jié) 。即氧原子的四個(gè)鍵(兩個(gè)共價(jià)鍵 ， 兩個(gè)氫鍵) ， 指向一個(gè)四面體的四個(gè)頂點(diǎn) ， 每個(gè)水分子都被四個(gè)水分子所包圍 ， 如圖2所示 。由于氫鍵基本上還是屬于靜電吸引作用 ， 它的鍵能比化學(xué)鍵的鍵能要小得多 ， 但和分子間作用力的數(shù)量級(jí)相近 ， 所以通常說(shuō)氫鍵是較強(qiáng)的有方向的分子間作用力 。但氫鍵與一般分子間作用力不同 ， 它具有飽和性和方向性 。因此 ， 冰是一種很不緊湊的結(jié)構(gòu) ， 內(nèi)部具有相當(dāng)大的空 。當(dāng)冰熔解時(shí) ， 一些氫鍵被破壞 ， 四面體結(jié)構(gòu)被瓦解 ， 水分子可以比較緊密地堆積在一起 ， 因此 ， 冰在熔解時(shí)體積要縮小 。
【為什么水在4℃時(shí)密度最大？】
科學(xué)家用X射線(xiàn)研究接近0℃水的結(jié)構(gòu)時(shí) ， 證實(shí)在液態(tài)水中存在著非常小的冰晶體 ， 這些微小的冰晶具有像普通冰一樣的結(jié)晶學(xué)上的結(jié)構(gòu) 。根據(jù)推算 ， 在接近0℃的水中大約有0.6%的冰晶體 。當(dāng)溫度逐漸升高時(shí) ， 這些冰晶體逐漸被破壞 ， 引起了體積的減小 ， 致使密度增大 。
而在溫度4℃上下 ， 水中有兩種使密度發(fā)生改變的效應(yīng)：一是由于溫度升高 ， 液態(tài)水的分子熱運(yùn)動(dòng)加劇 ， 分子間的平均距離增大 ， 致使水的密度減?。涣硪环N是由于溫度升高 ， 水中所含有的冰晶體逐漸熔解 ， 分子間的平均距離減小 ， 致使密度增大 。在1大氣壓（101.325千帕）下 ， 水溫低于4℃前 ， 后一種效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；而水溫高于4℃后 ， 前一種效應(yīng)占優(yōu)勢(shì) 。所以水在4℃密度最大 。
水的這種特性給人們的日常生活造成一些損失 ， 例如水結(jié)冰時(shí)體積膨脹所產(chǎn)生的力量 ， 足以把水管、水泥制件等撐破 。當(dāng)然 ， 也能給人類(lèi)帶來(lái)好處 ， 特別是在保護(hù)魚(yú)類(lèi)和其他水中生物方面 。
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