℃～℃时水的反常膨胀现象

如果请你用一个词来描述自然界，你会用什么词呢？

我想绝大多数人都会用“奥秘”来形容。确实，对目前的人类来说，我们对自然界还是知之甚少，自然界对人类充满了不确定、不可知等因素，所以既神奇又奥秘。

以水的密度为例。

“热胀冷缩”几乎是自然界中的普遍规律，但是如果液体的水也完全遵循“热胀冷缩”的规律，后果会怎么样呢？

如果液态水从0℃～100℃之间都是遵循“热胀冷缩”的规律，则0℃的水的密度最大。在北方的冬天，气温可下降到零下几十摄氏度。此时湖面已经结冰，在水与冰的交界处，正处于“冰水混合物”状态，液态水的温度为0℃，如果0℃水的密度大于4℃，那么0℃的湖水就下沉，湖内的液态水形成对流，很快整个湖水就都变成0℃了，并很快结冰，这样湖中的水生动物不能自主游动，从而无法觅食和活动，最终全部死亡。

但现实中并没有发生如此的悲惨场面，这都是因为自然“独赐”的水的反常现象，即水在0℃～4℃时，不是“热胀冷缩”，而是“热缩冷胀”，即水在4℃时的密度最大。这样，冬天来了，即便湖面温度降为0℃以下，湖底的水温还是4℃，0℃的水的密度比4℃水的密度小，湖内不能形成对流，保证了湖底的水保持4℃，湖内水处于液态，湖中的动物能自由觅食与生活。

这样看来，似乎水在0℃～4℃时的反常膨胀现象就是为水生生物安全过冬而“特殊”准备的，这是自然界的一种“特例”，是一次“走后门”行为，而正是这种行为，消除了外界环境对水中生物的不利影响。

为什么有这样的“特例”？这似乎是个终极问题，自然科学很少涉及终极问题的讨论，毕竟这是哲学或宗教所考虑的对象，而非自然科学的使命。但自然科学自有它自己的逻辑解释。

当物质种类确定时，影响物质的密度就只能是构成物质的分子（微粒）之间的平均间距了。一般说来，物质处于气态时，分子之间的间距最大，液态次之，固态最小；相应地，密度是固态最大，液态次之，气态最小。而对于同种物质同种状态来说，一般因为“热胀冷缩”，温度升高后，构成物质间的分子距离会变大，所以密度变小。但也有相反的情况。

水是由水分子构成的，水分子有些是单个存在的，有些是多个组合在一起以缔合水分子的形式存在的。当水分子缔合后形成缔合水分子，水分子之间的平均距离就变大。所以水的密度受到水中缔合水分子的数量和未缔合的单个水分子的数量影响。而水分子是否缔合，则会受到温度的影响。这样看来，水的密度是由水分子的缔合作用、水分子的热运动这两个因素决定的。当温度升高时，水分子的热运动加快，水分子的缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢，缔合作用加强。

当然，对水分子来说，还要考虑水分子的构成。每个水分子是由两个氢原子和一个氧原子键合而成的，氢原子和氧原子之间的键叫氢键（属于共价键）。由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化，体现为缔合水分子中的各分子排列有序，同时各分子间的距离变大了。在水温升高的过程中，单个水分子在水中的比例逐渐加大，水分子的密集程度逐渐加大，水的密度也随之增加。但同时，随着温度的升高，水分子的运动速率加快，水分子间的平均距离变大，密度减小。

这样，温度变化时就要综合考虑上述两种相反情况对水的密度的影响。

在水温由0℃升至4℃的过程中，缔合水分子氢键断裂，造成水密度增大，同时水分子热运动速率加快会使水密度减小，两者相比，前者的作用更大。这样，水的密度随温度的升高而变大，呈现“热缩冷胀”的现象。而当水温超过4℃时，缔合水分子中的氢键也断裂，水分子的运动速率也加快，但此时水中缔合数大的缔合水分子数目比较小，氢键断裂所造成的水密度增加的影响较小，水密度的变化主要受分子热运动速率加快的影响，所以水的密度随温度升高而减小，即呈现“热胀冷缩”的现象。

在4℃时，水中缔合水分子的比例最大，水分子的间距最小，水的密度最大。也就是说，4℃的液态水是个特殊的状态，因为不管升温还是降温，水的密度都变小。而最特殊的是，在4℃时，水的密度为1g/cm3，也就是说，取4℃的水1立方厘米（1毫升），它的质量就是1克。