為何水在0 4攝氏度範圍內熱縮冷脹？

1樓：三燕居士

首先宣告我做的體系不是水，但由於非常關心液態結構，所以也看過一些水的文章，本著知乎的精神，回答一下。

其次要糾正一下提問者的問題，水並不是單純的冷脹熱縮，4攝氏度是液體水的乙個臨界值，大於4c，是正常的熱脹冷縮，而低於4c則是冷脹熱縮，當液態水凝固為固態水，會出現體積的突變。

至於原因，匿名使用者（已取匿，@徐子益）引用高中教材的回答既是目前的共識，由於氫鍵的存在，出現了這種現象。更確切的原因應該是由於氫鍵構成的四面體結構所致（比如共價鍵四面體晶體矽也具有這種現象）。而4c以上的水與4c以下的水結構是不同的（液液相變），所以只有4c以下才會出現這種情況。

2樓：Megumi

因為結冰過程中，水的能量丟失，熵降低，微觀上從無序的液體變為有序的晶體，體積增加。

題主說的熱脹冷縮是通常情況下，結冰是相變。

3樓：

扯點題外話，幫助題主避免產生類似疑惑。

熱脹冷縮，是我們通過觀察到的現象，總結出的一般規律，之後研究原理，之後又發現其他現象，修正之前的總結。

不是說，自然界先天就必然存在了「熱脹冷縮」的鐵律，所有事物必須遵從，水居然敢那麼奇葩，必有蹊蹺。

應該直接問，水在0到4攝氏度，為何熱縮冷脹？而不是上來就，熱脹冷縮，為什麼水……？

4樓：asdf0633

因為在冰中，水分子之間形成的氫鍵排布具有規律，使得冰中的水分子具有一定的空間排布，形成空間框架，這使得水分子間存在較大空隙。

當冰變成水時，規則的氫鍵被破壞，規則的空間結構不再存在，水分子便可擠壓在一起，填補以前的空隙，使得水的體積小於冰。

5樓：汪卓

我還是先解釋一下大多數材料熱脹冷縮的成因吧。

以固體材料為例。首先大家應該確定乙個意識，就是材料中的原子不是靜止不動的，它們每時每刻都在不停地振動。這是材料科學中非常重要的乙個理論——晶格振動。

通常人們說的熱脹冷縮，在材料科學裡面被稱為「熱膨脹」。從原子的觀點看，熱膨脹是點陣結構中的質點間平均距離隨溫度公升高而增大現象的巨集觀反映。質點的振動可分為簡諧振動和非簡諧振動，材料熱膨脹的物理本質是質點振動的非簡諧效應。

所謂簡諧效應，就是質點圍繞其平衡位置作簡諧振動，質點之間相互作用勢能對平衡位置是對稱的，溫度公升高只能增大振幅，並不改變平衡位置。質點間平均距離不會因溫度公升高而改變，即不改變晶體的大小和形狀，這種情況下晶體受熱不膨脹。

明白了簡諧效應，那非簡諧效應就簡單易懂了，即原子之間斥力項隨原子間距的變化比引力項的變化更快。

在質點平衡位置r0的兩側，合力曲線的斜率是不相等的。當r < r0時，曲線的斜率較大；r > r0時，斜率較小。r < r0時斥力隨位移變化很快；r > r0時引力隨位移的變化要慢一些。

在這樣的受力情況下，質點振動時的平均位置就不在r0處，而要向右移。因此相鄰質點間平均距離增加。溫度越高，振幅越大，質點在r0兩側受力不對稱情況越顯著，平衡位置向右移動越多，相鄰質點間平均距離就增加得越多，以致晶胞引數增大，晶體膨脹。

好了，既然熱脹冷縮有了堅實的科學依據，那為什麼水還會反常呢？這時候就要抬出其他朋友在回答中都提到的東西了，即氫鍵，我就不贅述了。

在0攝氏度時，氫鍵對體積的影響是主要影響，水的熱膨脹成了次要因素，注意是次要不是沒有。而在這兩種條件的共同影響下，才會出現4攝氏度的水密度最大這個事實。

忍不住閒扯一句，然而正是因為水的這個特性，才會讓大自然如此美妙。比如冬天湖面結冰，然而下面的魚兒還能在水裡繼續生活……

6樓：羊倌

因為這是自然給生命出現演化開啟的作弊模式啊。

試想一下，如果水結冰的時候如果體積變小，密度變大，那冰就不會浮在水面上，而是沉在水底不見天日。那露出來的水就在那來年的秋風吹拂之下又開始結冰，這樣迴圈往復的話那整個水域不都變成乙個大冰塊了嗎？

而生命是怎麼起源的呢？就是在水域那一鍋濃湯中慢慢發展起來的。

如果水結冰密度變大那不是那鍋濃湯就變成一塊冰塊了。這樣說的話哪還有我有你有他。

所以說這是自然界給生命演化開啟的作弊模式。

不然那真的是秋風帶走我的思念帶走我的愛了。

ps知識部分移步其他答案。