實驗表明,水在4℃以上,仍然是遵循熱脹冷縮規(guī)律的,從4℃以下,即4℃到0℃間才發(fā)生反常膨脹.水在4℃時,體積最小,密度最大.因而冰的密度略小于水的密度.所以可以浮在水面上.
反常膨脹的原因 水的反常膨脹現(xiàn)象,原因是水分子具有特殊的結(jié)構(gòu),但對水分子結(jié)構(gòu)的研究,現(xiàn)代科學(xué)上還沒有統(tǒng)一的認識,因此對水的密度的反常變化的原因還沒有統(tǒng)一的解釋方法,現(xiàn)在介紹常見的幾種解釋方法以供參考.
1．“晶體結(jié)構(gòu)”論：為了介紹水的反常膨脹,有必要先介紹冰的晶體結(jié)構(gòu).在冰的晶體結(jié)構(gòu)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(nèi),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(zhì)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松散,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(zhì)量的冰的體積將會縮小.
用x射線研究液態(tài)水的結(jié)構(gòu)時,發(fā)現(xiàn)在低溫的液態(tài)水中在一定的程度上還保留著冰的四面體的結(jié)構(gòu),就是說在低溫的液態(tài)水中有著非常微小的冰的結(jié)晶.根據(jù)推算,在接近0℃時的水約包含著0.60%的這種微晶體,當(dāng)溫度逐漸升高時,這種微晶體逐漸地被破壞.因為這種微晶體具有象冰一樣的晶結(jié)構(gòu),它的體積比同質(zhì)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(xiàn)反常膨脹.但水的溫度高于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(jù)實驗和近代理論研究的結(jié)果,知道在水分子的兩端產(chǎn)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,漸漸拆開為單個分子,運動的范圍也擴大了,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(xiàn)象和水在不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)有關(guān).實驗事實證明,無論是液態(tài)或固態(tài)的水都含有由簡單分子結(jié)合而成的復(fù)雜分子(H2O)2.
這種結(jié)合過程稱為水分子的諦合.
液態(tài)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.由于諦合是放熱過程,所以溫度低水的諦合程度也隨之增高,即n值變大.當(dāng)溫度為0℃時,水便結(jié)合冰,全部水分子諦合在一起.在冰的結(jié)構(gòu)中,每個氧原子與4個氫原子相連接成四面體,所以冰的結(jié)構(gòu)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(tài)水中仍保持有一些非常微小的同冰的結(jié)構(gòu)相似的諦合分子所致.當(dāng)加熱時,一方面這種冰結(jié)構(gòu)的諦合分子繼續(xù)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(yīng)占優(yōu)勢,在4℃以上第二種效應(yīng)占優(yōu)勢.所以只有在4℃時,密度最大.