Question

水为什么在4℃时密度最大?

Answer 1

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,河底温度在4℃左右;密度则逐渐增大,河底密度最大.正因为水的这种奇异特性,才出现“人在冰上走,鱼在冰下游”的自然景象.
　　我们的问题是,水为什么会出现反常膨胀现象?或者说,为什么水在4℃时密度最大呢?一般来说,热学中的宏观现象都有它的微观本质,所以水的反常膨胀也跟水分子特殊排列有关.但要从分子论的角度给出详细的解释,困难比较大.到目前为止,人们对水分子的研究还是很不够的,有关水的反常膨胀现象尚没有统一的解释.介绍两种常见且通俗的解释,供参考.
　　一　
　　在温度较低时,水中不完全是液态,还有一些微小的冰晶体.在冰晶体中,每个分子以一定的规律排列在晶体点阵内,每个分子都被四个分子所包围,四个分子在空间构成一个四面体.而液态水中的分子,排列比较杂乱,不像冰晶体中的分子那样规则排列.虽然这些水分子在液态水中运动比在冰晶体中更自由些,但是分子间的平均距离却比在冰中小,所以液态水的密度比固态水的密度大.科学家用X射线研究接近0℃的水的结构时,证实在液态水中存在着非常小的冰晶体.根据推算,在接近0℃的水中大约有0.6%的这种冰晶体.当温度逐渐升高时,这些冰晶体逐渐被破坏,引起了体积的减小,致使密度增大.
　　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.在1大气压（101.325千帕）下,水温低于4℃前,后一种效应占优势；而水温高于4℃后,前一种效应占优势.设想一定质量的水,温度从0℃逐渐升高到5℃,根据上面的分析,水的体积将先减小后增大,密度则先增大后减小,在4℃时体积最小,密度最大.实际上,温度越过4℃以后,冰晶体会越来越少,直至消失,水就进入正常膨胀状态了.
　　　　二
　　水由不断运动着的水分子组成,而水分子是有极分子,即它的正、负电荷“重心”不重合.在一般情形下,水并不是以单个分子的形式存在的,而是由多个分子相互吸引联在一起的.在0℃时,由三个分子联在一起组成分子团；当温度升高到4℃时,这种组合转化为两个分子联合在一起的分子团,显然两个分子组合的排列要比三个分子组合的排列紧密些；当温度升高到4℃以上时,分子热运动加剧,动能增大,吸引在一起的两个分子又逐渐拆开为单个分子,运动的范围更大了,导致水分子间的平均距离变大,密度减小.所以水在4℃时密度最大.
　　上面两种观点虽然都解释了水在4℃时密度最大这一现象,但在没有经过实验严格验证之前,只能称为科学假说,理论本身是否正确还有待人们进一步研究.事实上,为解释自然现象而提出假说,再用实验去验证假说,从而得到正确的理论,正是科学探究的一般过程.