物質(zhì)受熱的時候會膨脹,，遇冷的時候會收縮,，這被稱為“熱脹冷縮”，我們常見的物質(zhì)通常都會出現(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。

測量數(shù)據(jù)表明,，水的密度會隨著溫度出現(xiàn)變化,，在4℃的時候，水的密度最大,，而在0至4℃這個溫度范圍內(nèi),，隨著溫度的下降，水的密度反而會逐漸變小，也就是說,，此時水表現(xiàn)出的其實是“熱縮冷脹”,。

那么問題就來了，為什么0至4℃的水,，會出現(xiàn)“熱縮冷脹”呢,？下面我們就來聊一下這個話題。

從微觀的角度來看,，溫度其實就是構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子（如分子、原子）熱運動的激烈程度,，微觀粒子的熱運動越激烈,，物質(zhì)的溫度就越高，反之則越低,，這其實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)象簡單地解釋為：當物質(zhì)受熱時溫度升高，其內(nèi)部微觀粒子的熱運動就會更加激烈,，它們之間的平均距離就增大了,，于是在宏觀層面上，物質(zhì)就會表現(xiàn)為膨脹,。反過來講,，當物質(zhì)遇冷時溫度會降低，其內(nèi)部微觀粒子的熱運動就相對緩慢,，它們之間的平均距離就減小了,，所以在宏觀層面上，物質(zhì)就會表現(xiàn)為收縮,。

那水為什么會成為例外呢,？難道是水違背了自然規(guī)律,，溫度越低，水分子熱運動的激烈程度反而會越高,？答案當然是否定的。

水是由大量的水分子構(gòu)成,，水分子同樣也會遵循自然規(guī)律,，如果水分子的熱運動是影響水密度的唯一原因，那0至4℃的水確實是會“熱脹冷縮”,，實際上,，之所以這種溫度的水會出現(xiàn)“熱縮冷脹”這種“反常現(xiàn)象”,，其實是因為還有其他的機制在影響水的密度,。

水分子是由一個氧原子與兩個氫原子通過“共用電子對”結(jié)合而成，不過在水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中,，“共用電子對”卻會強烈地偏向于氧原子這一頭,，這就會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電,。

在這種情況下,，水分子中的氧原子就會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”,。

對于溫度高于4℃的液態(tài)水而言,，由于水分子的熱運動相對比較激烈，一般都是只有少量的水分子通過“氫鍵”結(jié)合在一起,，這被稱為“締合分子”,，因為它們的分布是雜亂無章的，所以這并不會影響水的密度,。

而在0至4℃這個溫度范圍內(nèi),，水分子的熱運動相對比較緩慢，于是“氫鍵”就可以“大顯身手”了,，大量的水分子開始通過“氫鍵”結(jié)合在一起,，并且還強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)其實很不緊湊,，其內(nèi)部存在著相當大的空隙,，這就會增加水分子之間的平均距離，從而導致水的密度減小,。

在0至4℃這個溫度范圍內(nèi),，溫度越低，水分子熱運動就越緩慢,，形成這種四面體結(jié)構(gòu)的趨勢就越強,，水的密度也就越小，反過來講,，溫度越高,，水分子形成這種四面體結(jié)構(gòu)的趨勢就越弱，水的密度也就越大,，如此一來,，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,，水并沒有違背自然規(guī)律,，0至4℃的水之所以會出現(xiàn)“熱縮冷脹”，其實是因為在這個溫度范圍內(nèi),，“氫鍵”對水密度的影響超過了水分子熱運動,。

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“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比相同溫度下的液態(tài)水大得多,，其密度也會現(xiàn)明顯地降低,，正是因為如此，冰才可以輕易地漂浮在水面上,。

對于地球上的生命而言,，這無疑是一件幸運的事情，畢竟地球上有很多水域都會在冬季出現(xiàn)冰封的情況,，如果水在遇冷結(jié)冰的時候會收縮,，那冰的密度就會比水更大，也就不會漂浮在水面上,，如此一來，一旦到了冬季,，這些水域的水就會不斷地結(jié)冰,，并源源不斷地沉入暗無天日的水底，即使到了夏季不會輕易溶化,，久而久之,，這些水域基本上就會成為一個大冰塊。

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,。