为什么水在4℃时的密度是最大的?

发布网友发布时间：2022-05-13 20:18

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热心网友时间：2023-10-25 11:18

我们知道水的分子式是H2O，分子中的原子是通过极性键而互相联结起来的，其分子结构呈V形特征，如图1所示。因此，水分子是高度极性的，当许多水分子聚集在一起时，一个分子中的带正电荷的氢原子吸引另一个邻近分子中的带负电荷的氧原子而形成所谓的氢键。这种氢键作用很弱，但在形成缔合分子的群体或聚合物时是起作用的。水在低温时就是由于这种键的作用而使许多水分子组成群体。

在水结成冰时，水分子的运动不能破坏氢键，氢键起主要作用，它把水分子联结起来形成有规则的空间结构，如图2所示。在一个晶格中，四个氢原子在正四面体的顶点上，一个氧原子位于四面体的中心。这样，使分子间的空隙变大且保持一定，因此水结成冰时体积变大。若水温上升，则分子运动加剧，氢键被逐渐破坏，分子大群体变成小群体，直到变成单个分子。

在4℃时分子运动既能破坏水分子之间的氢键束缚而又不使分子作剧烈运动导致分子间频繁碰撞，各分子间可发生相对滑动而相互交错，这样就会互相填补空隙，使水的体积最小而密度最大。

如图3所示，当温度高于4℃时，随着温度的升高，分子运动加剧，分子间发生碰撞，频繁的碰撞使分子趋向密度小的地方，水面处分子受内部分子的碰撞向外运动，而内部分子又向分子较疏的水面处运动，致使水的体积向外扩展而密度变小。至于“0℃的冰变成0℃的水时体积变小，温度不变而又吸收热量，吸收的热量跑到哪里去了？”这个问题，通过上面的讨论也就不难理解了：0℃的冰变成0℃的水时，需要破坏氢键，吸收的热量用于破坏氢键做功。

我们常讲系统的内能只是温度的函数，温度不变内能也不变，要注意这只是对理想气体而言的。

所谓“理想”是不考虑分子大小和相互作用力；但对范德瓦尔斯气体来说，内能就不仅仅是温度的函数了，它还与体积有关，因为考虑了分子间的作用后，分子就有了随间距而变化的势能。范德瓦尔斯气体尚且如此，更何况水呢？！

热心网友时间：2023-10-25 11:18

我们知道,正常情况下物质是热胀冷缩的,所以温度越高,物质的密度越小。但也有一些例外情况,如水在0℃～4℃之间是热缩冷胀的,人们把这种现象叫做反常膨胀。设想把一定质量的水从0℃加热到10℃,水的体积是先减小后增大的,4℃是转折点,此时体积最小,密度最大。水的这种奇异特性很容易在自然界中看到,如冬天河塘里的水结冰时,总是从水面开始的。也就是说首先是河面的水温降到0℃,下面的水温则高于0℃,从上向下温度逐渐升高,

热心网友时间：2023-10-25 11:19

在温度4℃上下，水中有两种使密度发生改变的效应：一是由于温度升高，液态水的分子热运动加剧，分子间的平均距离增大，致使水的密度减小；另一种是由于温度升高，水中所含有的冰晶体逐渐熔解，分子间的平均距离减小，致使密度增大。

热心网友时间：2023-10-25 11:19

通常物体都是热胀冷缩，但是水在0℃～4℃之间是热缩冷胀的，人们把这种现象叫做反常膨胀。设想把一定质量的水从0℃加热到10℃，水的体积是先减小后增大的，4℃是转折点，此时体积最小，密度最大。

热心网友时间：2023-10-25 11:20

当温度高于4℃时，随着温度的升高，分子运动加剧，分子间发生碰撞，频繁的碰撞使分子趋向密度小的地方，水面处分子受内部分子的碰撞向外运动，而内部分子又向分子较疏的水面处运动，致使水的体积向外扩展而密度变小。