爲什麼水0到4度是熱縮冷脹的?（原子角度說說最好）

題目：

爲什麼水0到4度是熱縮冷脹的?（原子角度說說最好）

解答：

水的反常膨脹及其微觀解釋
在一般情況下,當物體的溫度升高時,物體的體積膨脹、密度減小,也就是通常所講的「熱脹冷縮」現象.然而水在由0℃溫度升高時,出現了一種特殊的現象.人們通過實驗得到了P－t曲線,即水的密度隨溫度變化的曲線.由圖可見,在溫度由0℃上升到4℃的過程中,水的密度逐漸加大；溫度由4℃繼續上升的合過程中,水的密度逐漸減小；水在4℃時的密度最大.水在0℃至14℃的範圍內,呈現出「冷脹熱縮」的現象,稱爲反常膨脹.水的反常膨脹現象可以用氫鍵、締合水分子理論予以解釋.
物質的密度由物質內分子的平均間距決定.對於水來說,由於水中存在大量單個水分子,也存在多個水分子組合在一起的締合水分子,而水分子締合後形成的締合水分子的分子平均間距變大,所以水的密度由水中締合水分子的數量、締合的單個水分子個數決定.具體地說,水的密度由水分子的締合作用、水分子的熱運動兩個因素決定.當溫度升高時,水分子的熱運動加快、締合作用減弱；當溫度降低時,水分子的熱運動減慢、締合作用加強.綜合考慮兩個因素的影響,便可得知水的密度變化規律.
在水中,常溫下有大約50％的單個水分子組合爲締合水分子,其中雙分子締合水分子最穩定.
多個水分子組合時,除了呈六角形外（如雪花、窗花）,還可能形成立體形點陣結構（屬六方晶系）.每一個水分子都通過氫鍵,與周圍四個水分子組合在一起.邊緣的四個水分子也按照同樣的規律再與其他的水分子組合,形成一個多分子的締合水分子.由圖可知,締合水分子中,每一個氧原子周圍都有——4個氫原子,其中兩個氫原子較近一些,與氧原子之間是共價鍵,組成水分子；另外兩個氫原子屬於其他水分子,靠氫鍵與這個水分子組合在一起.可以看出,這種多個分子組合成的締合水分子中的水分於排列得比較鬆散,分子的間距比較大.由於氫鍵具有一定的方向性,因此在單個水分子組合爲締合水分子後,水的結構發生了變化.一是締合水分子中的各單個分子排列有序,二是各分子間的距離變大.
在液態水變成固態水時,即水凝固成冰、雪、霜時,呈現出締合水分子的形狀.此時,水分子的排列比較「鬆散」,雪、冰的密度比較小.
將冰熔化成水,締合水分子中的一些氫鍵斷裂,冰的晶體消失.0℃的水與0℃的冰相比,締合水分子中的單個水分子數目減少,分子的間距變小、空隙減少,所以0℃的水比0℃的冰密度大.用倫琴射線照射0℃的水,發現只有15％的氫鍵斷裂,水中仍然存在有約85％的微小冰晶體（即大的締合水分子）.若繼續加熱0℃的水,隨著水溫度的升高,大的締合水分子逐漸瓦解,變爲三分子締合水分子、雙分子締合水分子或單個水分子.這些小的締合水分子或單個水分子,受氫鏈的影響較小,可以任意排列和運動,不必形成「縷空」結構,而且單個水分子還可以「嵌入」大的締合水分子中間.在水溫升高的過程中,一方面,締合數小的締合水分子、單個水分子在水中的比例逐漸加大,水分子的堆集程度（或密集程度）逐漸加大,水的密度也隨之加大.另一方面在這個過程中,隨著溫度的升高,水分子的運動速度加快,使得分子的平均距離加大,密度減小.考慮水密度隨溫度變化的規律時,應當綜合考慮兩種因素的影響.在水溫由0℃升至4℃的過程中,由締合水分子氫鍵斷裂引起水密度增大的作用,比由分子熱運動速度加快引起水密度減小的作用更大,所以在這個過程中,水的密度隨溫度的增高而加大,爲反常膨脹.
水溫超過4℃時,同樣應當考慮締合水分子中的氫鍵斷裂、水分子運動速度加快這兩個因素,綜合分析它們對水密度的影響.由於在水溫比較高的時候,水中締合數大的締合水分子數目比較小,氫鍵斷裂所造成水密度增加的影響較小,水密度的變化主要受分子熱運動速度加快的影響,所以在水溫由4℃繼續升高的過程中,水的密度隨溫度升高而減小,即呈現熱脹冷縮現象.
在4℃時,水中雙分子締合水分子的比例最大,水分子的間距最小,水的密度最大.