物質(zhì)受熱的時(shí)候會(huì)膨脹，遇冷的時(shí)候會(huì)收縮，這被稱為“熱脹冷縮”，我們常見(jiàn)的物質(zhì)通常都會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，然而有一種物質(zhì)卻是例外，這種物質(zhì)就是水。
測(cè)量數(shù)據(jù)表明，水的密度會(huì)隨著溫度出現(xiàn)變化，在4℃的時(shí)候，水的密度最大，而在0至4℃這個(gè)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的下降，水的密度反而會(huì)逐漸變小，也就是說(shuō)，此時(shí)水表現(xiàn)出的其實(shí)是“熱縮冷脹”。
那么問(wèn)題就來(lái)了，為什么0至4℃的水，會(huì)出現(xiàn)“熱縮冷脹”呢？下面我們就來(lái)聊一下這個(gè)話題。
從微觀的角度來(lái)看，溫度其實(shí)就是構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子（如分子、原子）熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度，微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)越激烈，物質(zhì)的溫度就越高，反之則越低，這其實(shí)可以看成是一種自然規(guī)律。
據(jù)此我們就可以將“熱脹冷縮”這種現(xiàn)象簡(jiǎn)單地解釋為：當(dāng)物質(zhì)受熱時(shí)溫度升高，其內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)就會(huì)更加激烈，它們之間的平均距離就增大了，于是在宏觀層面上，物質(zhì)就會(huì)表現(xiàn)為膨脹。反過(guò)來(lái)講，當(dāng)物質(zhì)遇冷時(shí)溫度會(huì)降低，其內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)就相對(duì)緩慢，它們之間的平均距離就減小了，所以在宏觀層面上，物質(zhì)就會(huì)表現(xiàn)為收縮。
那水為什么會(huì)成為例外呢？難道是水違背了自然規(guī)律，溫度越低，水分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度反而會(huì)越高？答案當(dāng)然是否定的。
水是由大量的水分子構(gòu)成，水分子同樣也會(huì)遵循自然規(guī)律，如果水分子的熱運(yùn)動(dòng)是影響水密度的唯一原因，那0至4℃的水確實(shí)是會(huì)“熱脹冷縮”，實(shí)際上，之所以這種溫度的水會(huì)出現(xiàn)“熱縮冷脹”這種“反?，F(xiàn)象”，其實(shí)是因?yàn)檫€有其他的機(jī)制在影響水的密度。
水分子是由一個(gè)氧原子與兩個(gè)氫原子通過(guò)“共用電子對(duì)”結(jié)合而成，不過(guò)在水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中，“共用電子對(duì)”卻會(huì)強(qiáng)烈地偏向于氧原子這一頭，這就會(huì)造成水分子的電荷分布很不均勻，具體表現(xiàn)為氧原子這一頭帶正電，氫原子這一頭則帶負(fù)電。
在這種情況下，水分子中的氧原子就會(huì)與相鄰水分子中的氫原子產(chǎn)生相互吸引的作用，我們將這種作用稱為“氫鍵”。
對(duì)于溫度高于4℃的液態(tài)水而言，由于水分子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較激烈，一般都是只有少量的水分子通過(guò)“氫鍵”結(jié)合在一起，這被稱為“締合分子”，因?yàn)樗鼈兊姆植际请s亂無(wú)章的，所以這并不會(huì)影響水的密度。
而在0至4℃這個(gè)溫度范圍內(nèi)，水分子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較緩慢，于是“氫鍵”就可以“大顯身手”了，大量的水分子開(kāi)始通過(guò)“氫鍵”結(jié)合在一起，并且還強(qiáng)烈趨向于在整體上形成一種規(guī)則的四面體結(jié)構(gòu)。
這種四面體結(jié)構(gòu)其實(shí)很不緊湊，其內(nèi)部存在著相當(dāng)大的空隙，這就會(huì)增加水分子之間的平均距離，從而導(dǎo)致水的密度減小。
在0至4℃這個(gè)溫度范圍內(nèi)，溫度越低，水分子熱運(yùn)動(dòng)就越緩慢，形成這種四面體結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)就越強(qiáng)，水的密度也就越小，反過(guò)來(lái)講，溫度越高，水分子形成這種四面體結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)就越弱，水的密度也就越大，如此一來(lái)，就在宏觀層面上表現(xiàn)出了“熱縮冷脹”這樣的效果。
綜上所述，水并沒(méi)有違背自然規(guī)律，0至4℃的水之所以會(huì)出現(xiàn)“熱縮冷脹”，其實(shí)是因?yàn)樵谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)，“氫鍵”對(duì)水密度的影響超過(guò)了水分子熱運(yùn)動(dòng)。
值得一提的是，在水凍結(jié)成冰之后，其內(nèi)部的水分子幾乎全部都通過(guò)“氫鍵”結(jié)合在一起，并在整體上完整地形成了四面體結(jié)構(gòu)，在這種情況下，水分子之間的平均距離就會(huì)比相同溫度下的液態(tài)水大得多，其密度也會(huì)現(xiàn)明顯地降低，正是因?yàn)槿绱?，冰才可以輕易地漂浮在水面上。
對(duì)于地球上的生命而言，這無(wú)疑是一件幸運(yùn)的事情，畢竟地球上有很多水域都會(huì)在冬季出現(xiàn)冰封的情況，如果水在遇冷結(jié)冰的時(shí)候會(huì)收縮，那冰的密度就會(huì)比水更大，也就不會(huì)漂浮在水面上，如此一來(lái)，一旦到了冬季，這些水域的水就會(huì)不斷地結(jié)冰，并源源不斷地沉入暗無(wú)天日的水底，即使到了夏季不會(huì)輕易溶化，久而久之，這些水域基本上就會(huì)成為一個(gè)大冰塊。
好了，今天我們就先講到這里，歡迎大家關(guān)注我們，我們下次再見(jiàn)。
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