爲什麼水具有在4攝氏度以上熱脹冷縮,而在4攝氏度以下則熱縮冷脹的特性?

題目：

爲什麼水具有在4攝氏度以上熱脹冷縮,而在4攝氏度以下則熱縮冷脹的特性?

解答：

實驗表明,水在4℃以上,仍然是遵循熱脹冷縮規律的,從4℃以下,即4℃到0℃間才發生反常膨脹.水在4℃時,體積最小,密度最大.因而冰的密度略小於水的密度.所以可以浮在水面上.
反常膨脹的原因 水的反常膨脹現象,原因是水分子具有特殊的結構,但對水分子結構的研究,現代科學上還沒有統一的認識,因此對水的密度的反常變化的原因還沒有統一的解釋方法,現在介紹常見的幾種解釋方法以供參考.
1．「晶體結構」論：爲了介紹水的反常膨脹,有必要先介紹冰的晶體結構.在冰的晶體結構中,水分子（即冰晶體的分子）以一定的方向排列在晶體點陣內,每個水分子都被另外四個分子所包圍,這四個水分子形成一個四面體（三角形錐體）,水分子間相互作用力的性質使得在冰的晶體中水分子的排列一定是這種形式,這種排列方式是比較鬆散,體積較大,如果在冰中的水分子不象這樣排列,而一個連著一個排列得很密,那時同樣質量的冰的體積將會縮小.
用x射線研究液態水的結構時,發現在低溫的液態水中在一定的程度上還保留著冰的四面體的結構,就是說在低溫的液態水中有著非常微小的冰的結晶.根據推算,在接近0℃時的水約包含著0.60%的這種微晶體,當溫度逐漸升高時,這種微晶體逐漸地被破壞.因爲這種微晶體具有象冰一樣的晶結構,它的體積比同質量水的體積大,所以這種微晶體逐漸地被破壞,它的體積就逐漸變小,因而密度逐漸變大.反過來說,它的溫度從4℃降到0℃時,這種微晶體逐漸增加,體積逐漸變大,密度逐漸縮小,出現反常膨脹.但水的溫度高於4℃時,水分子的熱運動使得分子間的距離增加,體積變大,密度變小,所以說水在4℃時的密度最大.
2．「極性分子」論：
原來水是由很多不斷運動著的水分子組成的.根據實驗和近代理論研究的結果,知道在水分子的兩端產生了帶有兩個相反的電荷,一端帶正電荷,一端帶負電荷.如圖4所示：在逐漸升高到4℃以上時,水分子的動能大了,運動速度加快了,吸引在一道的兩個分子,漸漸拆開爲單個分子,運動的範圍也擴大了,這時候水的密度也漸漸變小了.
3．「分子的諦合」論：
水的反常膨脹現象和水在不同狀態的結構有關.實驗事實證明,無論是液態或固態的水都含有由簡單分子結合而成的複雜分子(H2O)2.
這種結合過程稱爲水分子的諦合.
液態水,除了含有簡單的水分子(H2O)外,同時還含有諦合分子(H2O)2和(H2O)3.由於諦合是放熱過程,所以溫度低水的諦合程度也隨之增高,即n值變大.當溫度爲0℃時,水便結合冰,全部水分子諦合在一起.在冰的結構中,每個氧原子與4個氫原子相連接成四面體,所以冰的結構中有較大的空隙,因而冰的密度比水小,比水輕.
水在4℃時密度最大的原因,可能是在0℃的液態水中仍保持有一些非常微小的同冰的結構相似的諦合分子所致.當加熱時,一方面這種冰結構的諦合分子繼續被破壞,變成較緊密的排列而使密度上升變大；另一方面水分子的熱運動增強,水分子間距離增大又會使密度隨溫度上升變小.在4℃以下第一種效應占優勢,在4℃以上第二種效應占優勢.所以只有在4℃時,密度最大.