水违背了自然规律？为什么0至4℃的水，会出现“热缩冷胀”？
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物质受热的时候会膨胀 ， 遇冷的时候会收缩 ， 这被称为“热胀冷缩” ， 我们常见的物质通常都会出现这种现象 ， 然而有一种物质却是例外 ， 这种物质就是水 。
测量数据表明 ， 水的密度会随着温度出现变化 ， 在4℃的时候 ， 水的密度最大 ， 而在0至4℃这个温度范围内 ， 随着温度的下降 ， 水的密度反而会逐渐变小 ， 也就是说 ， 此时水表现出的其实是“热缩冷胀” 。
那么问题就来了 ， 为什么0至4℃的水 ， 会出现“热缩冷胀”呢？下面我们就来聊一下这个话题 。
从微观的角度来看 ， 温度其实就是构成物质的微观粒子（如分子、原子）热运动的激烈程度 ， 微观粒子的热运动越激烈 ， 物质的温度就越高 ， 反之则越低 ， 这其实可以看成是一种自然规律 。
据此我们就可以将“热胀冷缩”这种现象简单地解释为：当物质受热时温度升高 ， 其内部微观粒子的热运动就会更加激烈 ， 它们之间的平均距离就增大了 ， 于是在宏观层面上 ， 物质就会表现为膨胀 。 反过来讲 ， 当物质遇冷时温度会降低 ， 其内部微观粒子的热运动就相对缓慢 ， 它们之间的平均距离就减小了 ， 所以在宏观层面上 ， 物质就会表现为收缩 。
那水为什么会成为例外呢？难道是水违背了自然规律 ， 温度越低 ， 水分子热运动的激烈程度反而会越高？答案当然是否定的 。
水是由大量的水分子构成 ， 水分子同样也会遵循自然规律 ， 如果水分子的热运动是影响水密度的唯一原因 ， 那0至4℃的水确实是会“热胀冷缩” ， 实际上 ， 之所以这种温度的水会出现“热缩冷胀”这种“反常现象” ， 其实是因为还有其他的机制在影响水的密度 。
水分子是由一个氧原子与两个氢原子通过“共用电子对”结合而成 ， 不过在水分子的内部结构之中 ， “共用电子对”却会强烈地偏向于氧原子这一头 ， 这就会造成水分子的电荷分布很不均匀 ， 具体表现为氧原子这一头带正电 ， 氢原子这一头则带负电 。
在这种情况下 ， 水分子中的氧原子就会与相邻水分子中的氢原子产生相互吸引的作用 ， 我们将这种作用称为“氢键” 。
【水违背了自然规律？为什么0至4℃的水，会出现“热缩冷胀”？】
对于温度高于4℃的液态水而言 ， 由于水分子的热运动相对比较激烈 ， 一般都是只有少量的水分子通过“氢键”结合在一起 ， 这被称为“缔合分子” ， 因为它们的分布是杂乱无章的 ， 所以这并不会影响水的密度 。
而在0至4℃这个温度范围内 ， 水分子的热运动相对比较缓慢 ， 于是“氢键”就可以“大显身手”了 ， 大量的水分子开始通过“氢键”结合在一起 ， 并且还强烈趋向于在整体上形成一种规则的四面体结构 。
这种四面体结构其实很不紧凑 ， 其内部存在着相当大的空隙 ， 这就会增加水分子之间的平均距离 ， 从而导致水的密度减小 。
在0至4℃这个温度范围内 ， 温度越低 ， 水分子热运动就越缓慢 ， 形成这种四面体结构的趋势就越强 ， 水的密度也就越小 ， 反过来讲 ， 温度越高 ， 水分子形成这种四面体结构的趋势就越弱 ， 水的密度也就越大 ， 如此一来 ， 就在宏观层面上表现出了“热缩冷胀”这样的效果 。
综上所述 ， 水并没有违背自然规律 ， 0至4℃的水之所以会出现“热缩冷胀” ， 其实是因为在这个温度范围内 ， “氢键”对水密度的影响超过了水分子热运动 。
值得一提的是 ， 在水冻结成冰之后 ， 其内部的水分子几乎全部都通过“氢键”结合在一起 ， 并在整体上完整地形成了四面体结构 ， 在这种情况下 ， 水分子之间的平均距离就会比相同温度下的液态水大得多 ， 其密度也会现明显地降低 ， 正是因为如此 ， 冰才可以轻易地漂浮在水面上 。
对于地球上的生命而言 ， 这无疑是一件幸运的事情 ， 毕竟地球上有很多水域都会在冬季出现冰封的情况 ， 如果水在遇冷结冰的时候会收缩 ， 那冰的密度就会比水更大 ， 也就不会漂浮在水面上 ， 如此一来 ， 一旦到了冬季 ， 这些水域的水就会不断地结冰 ， 并源源不断地沉入暗无天日的水底 ， 即使到了夏季不会轻易溶化 ， 久而久之 ， 这些水域基本上就会成为一个大冰块 。
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