簡單的說,是因為水有締合性
復雜點來說,水在4℃時密度最大,是由于水分子間有氫鍵締合這樣的特殊結構所決定的.根據(jù)近代X射線的研究,證明了冰具有四面體的晶體結構.這個四面體是通過氫鍵形成的,是一個敞開式的松弛結構,因為五個水分子不能把全部四面體的體積占完,在冰中氫鍵把這些四面體聯(lián)系起來,成為一個整體.這種通過氫鍵形成的定向有序排列,空間利用率較小,約占34％、因此冰的密度較小.
水溶解時拆散了大量的氫鍵,使整體化為四面體集團和零星的較小的“水分子集團”(即由氫鍵締合形成的一些締合分子),故液態(tài)水已經不象冰那樣完全是有序排列了,而是有一定程度的無序排列,即水分子間的距離不象冰中那樣固定,H2O分子可以由一個四面體的微晶進入另一微晶中去.這樣分子間的空隙減少,密度就增大了.
溫度升高時,水分子的四面體集團不斷被破壞,分子無序排列增多,使密度增大.但同時,分子間的熱運動也增加了分子間的距離,使密度又減小.這兩個矛盾的因素在4℃時達到平衡,因此,在4℃時水的密度最大.過了4℃后,分子的熱運動使分子間的距離增大的因素,就占優(yōu)勢了,水的密度又開始減小.