物質(zhì)受熱的時(shí)侯會膨脹，遇冷的時(shí)侯會收縮，這被稱為“熱脹冷縮”，我們常見的物質(zhì)一般還會出現(xiàn)此類現(xiàn)象，但是有一種物質(zhì)卻是例外，這些物質(zhì)就是水。
檢測數(shù)據(jù)表明，水的密度會隨著氣溫出現(xiàn)變化，在4℃的時(shí)侯，水的密度最大，而在0至4℃這個(gè)氣溫范圍內(nèi)，隨著氣溫的升高，水的密度反倒會逐步變小，也就是說，此時(shí)水表現(xiàn)出的雖然是“熱縮冷脹”。
這么問題就來了，為何0至4℃的水，會出現(xiàn)“熱縮冷脹”呢？下邊我們就來聊一下這個(gè)話題。
從微觀的角度來看，體溫似乎就是構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子（如分子、原子）熱運(yùn)動的激烈程度，微觀粒子的熱運(yùn)動越激烈，物質(zhì)的濕度就越高，反之則越低，這或許可以看成是一種自然規(guī)律。
據(jù)此我們就可以將“熱脹冷縮”這種現(xiàn)象簡單地解釋為：當(dāng)物質(zhì)受熱時(shí)氣溫下降，其內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動都會愈發(fā)激烈，它們之間的平均距離就減小了，于是在宏觀層面上，物質(zhì)都會表現(xiàn)為膨脹。反過來講，當(dāng)物質(zhì)遇冷時(shí)氣溫會增加，其內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動就相對平緩，它們之間的平均距離就減少了，所以在宏觀層面上，物質(zhì)都會表現(xiàn)為收縮。
那水為何會成為例外呢？莫非是水違反了自然規(guī)律，氣溫越低，水份子熱運(yùn)動的激烈程度反倒會越高？答案其實(shí)是否定的。
水是由大量的水份子構(gòu)成，水份子同樣也會遵守自然規(guī)律，假如水份子的熱運(yùn)動是影響水密度的惟一緣由，那0至4℃的水確實(shí)是會“熱脹冷縮”分子熱運(yùn)動是熱脹冷縮嗎，實(shí)際上，之所以這些氣溫的水會出現(xiàn)“熱縮冷脹”這種“反常現(xiàn)象”，雖然是由于還有其他的機(jī)制在影響水的密度。
水份子是由一個(gè)氧原子與兩個(gè)氫原子通過“共用電子對”結(jié)合而成，不過在水份子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中，“共用電子對”卻會強(qiáng)烈地偏向于氧原子這一頭，這都會導(dǎo)致水份子的電荷分布很不均勻，具體表現(xiàn)為氧原子這一頭帶正電，氫原子這一頭則帶負(fù)電。
在這些情況下，水分子中的氧原子都會與相鄰水分子中的氫原子形成互相吸引的作用，我們將這些作用稱為“氫鍵”。
對于氣溫低于4℃的液態(tài)水而言，因?yàn)樗葑拥臒徇\(yùn)動相對比較激烈，通常都是只有少量的水份子通過“氫鍵”結(jié)合在一起，這被稱為“締合分子”，由于它們的分布是零亂無章的，所以這并不會影響水的密度。
而在0至4℃這個(gè)氣溫范圍內(nèi)，水份子的熱運(yùn)動相對比較平緩，于是“氫鍵”就可以“大顯身手”了，大量的水份子開始通過“氫鍵”結(jié)合在一起，但是還強(qiáng)烈趨于于在整體上產(chǎn)生一種規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)。
這些多面體結(jié)構(gòu)雖然很不緊湊，其內(nèi)部存在著相當(dāng)大的縫隙，這都會降低水分子之間的平均距離，因而造成水的密度降低。
在0至4℃這個(gè)氣溫范圍內(nèi)，氣溫越低，水份子熱運(yùn)動就越平緩，產(chǎn)生這些多面體結(jié)構(gòu)的趨勢就越強(qiáng)，水的密度也就越小，反過來講，氣溫越高分子熱運(yùn)動是熱脹冷縮嗎，水份子產(chǎn)生這些多面體結(jié)構(gòu)的趨勢就越弱，水的密度也就越大，這么一來，就在宏觀層面上表現(xiàn)出了“熱縮冷脹”這樣的療效。
綜上所述，水并沒有遵守自然規(guī)律，0至4℃的水之所以會出現(xiàn)“熱縮冷脹”，雖然是由于在這個(gè)氣溫范圍內(nèi)，“氫鍵”對水密度的影響超過了水份子熱運(yùn)動。
值得一提的是，在水凍結(jié)成冰以后，其內(nèi)部的水份子幾乎全部都通過“氫鍵”結(jié)合在一起，并在整體上完整地產(chǎn)生了多面體結(jié)構(gòu)，在這些情況下，水份子之間的平均距離都會比相同氣溫下的液態(tài)水大得多，其密度也會現(xiàn)顯著地增加，正是由于這么，冰才可以輕易地懸浮在海面上。
對于月球上的生命而言，這無疑是一件辛運(yùn)的事情，雖然月球上有好多水域就會在夏季出現(xiàn)冰封的情況，若果水在遇冷結(jié)冰的時(shí)侯會收縮，那冰的密度都會比水更大，也就不會懸浮在海面上，這么一來，一旦到了春季，這種水域的水都會不斷地結(jié)冰，并源源不斷地墜入暗無天日的水中，即使到了夏天不會輕易溶解，久而久之，這種水域基本上都會成為一個(gè)大冰塊。
好了，明天我們就先提到這兒，歡迎你們關(guān)注我們，我們上次再會。