为何0至4℃的水会出现热缩冷胀的现象？

物质在热的时候膨胀，在冷的时候收缩，被称为热胀冷缩，是所有普通物质普遍发生的现象。测量表明，水的密度随温度变化而变化，在4℃时，水的密度最大，而在0至4℃的温度范围内，随着温度的降低，水的密度逐渐变小，也就是说，在这一点上，水实际上表现出热胀冷缩。那么问题来了：为什么0到4°C之间的水似乎会收缩和膨胀？让我们来谈谈这个问题。从微观的角度来看，温度实际上是构成物质的微观粒子（如分子和原子）的热运动强度。热膨胀和收缩的现象可以简单地解释为：当物质被加热时，其微观粒子的热运动变得更加强烈，它们之间的平均距离增加，因此，在宏观层面上，物质膨胀了。

相反，当物质被冷却时，其温度降低，其内部微观粒子的热运动相对缓慢，所以它们之间的平均距离减少，所以在宏观层面上，物质收缩。那么，为什么水是个例外呢？水是否违背了自然规律，温度越低，其分子的热运动就越激烈？答案当然是否定的。如果水分子的热运动是水的密度的唯一原因，那么0到4℃之间的水确实会膨胀和收缩，事实上，水在这个温度下之所以会出现膨胀和收缩的情况，实际上，这种反常的原因是，还有其他机制影响水的密度。

水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成，并由一个共享电子对连接，但在水分子的内部结构中，共享电子对严重向氧原子倾斜，这导致水分子的电荷分布非常不均匀。这导致水分子中的电荷分布非常不平等，氧原子带正电，氢原子带负电。在这种情况下，水分子的氧原子与邻近水分子的氢原子产生相互吸引，我们称之为氢键。对于温度高于4℃的液态水来说，由于水分子的热运动相对激烈，通常只有少数水分子通过氢键结合在一起，由于其随机分布，被称为结合，因此这并不影响水的密度。

在0至4℃的温度范围内，水分子的热运动相对缓慢，因此可以使用氢键。大量的水分子开始通过氢键结合在一起，同时也倾向于形成一个规则的四面体结构的整体。事实上，这种四面体结构非常不紧凑，内部有相当多的空隙，这增加了水分子之间的平均距离，从而导致水的密度降低。在0到4℃的温度范围内，温度越低，水分子的热运动越慢，形成这种四面体结构的趋势越强，水的密度越小；反之，温度越高，水分子形成这种四面体结构的趋势越弱，水的密度越大。

这就产生了受热收缩，受冷膨胀的效果。简而言之，水并不违背自然规律。水在0至4℃之间收缩和膨胀的原因是氢键对水密度的影响超过了水分子在这个温度范围内的热运动。应该注意的是，当水冻结成冰时，其内部几乎所有的水分子都被氢键所束缚，并在整体上形成了四面体结构，因此水分子之间的平均距离比相同温度下的液态水要大得多，其密度现在也明显降低。这就是为什么冰可以轻易地漂浮在水面上。对于地球上的生命来说，这无疑是幸运的，毕竟地球上有许多水域在冬天会结冰，如果水在寒冷中结冰时收缩，那么冰的密度就会比水大，不会浮在水面上，所以当冬天来临时，这些水域的水会继续结冰，并源源不断地沉入黑暗中，即使在夏天它也不容易融化。

在夏天，它不会轻易融化，随着时间的推移，这些水域基本上会变成一个大冰块。好了，今天的内容就到这里，欢迎大家继续关注，下回见。