冷脹熱縮

特例

然而水在由0℃溫度升高時，出現了一種特殊的現象。人們通過實驗得到了ρ－t曲線，即水的密度隨溫度變化的曲線。在溫度由0℃上升到4℃的過程中，水的密度逐漸加大；溫度由4℃繼續上升的過程中，水的密度逐漸減小；水在4℃時的密度最大。水在0℃至4℃的範圍內，呈現出“冷脹熱縮”的現象，稱為反常膨脹。水的反常膨脹現象可以用氫鍵、締合水分子理論予以解釋。

物質的密度由物質內分子的平均間距決定。對於水來說，由於水中存在大量單個水分子，也存在多個水分子組合在一起的締合水分子，而水分子締合后形成的締合水分子的分子平均間距變大，所以水的密度由水中締合水分子的數量、締合的單個水分子個數決定。具體地說，水的密度由水分子的締合作用、水分子的熱運動兩個因素決定。當溫度升高時，水分子的熱運動加快、締合作用減弱；當溫度降低時，水分子的熱運動減慢、締合作用加強。綜合考慮兩個因素的影響，便可得知水的密度變化規律。

在水中，常溫下有大約50%的單個水分子組合為締合水分子，其中雙分子締合水分子最穩定。

多個水分子組合時，除了呈六角形外（如雪花、窗花），還可能形成立體形點陣結構（屬六方晶系）。每一個水分子都通過氫鍵，與周圍四個水分子組合在一起。邊緣的四個水分子也按照同樣的規律再與其他的水分子組合，形成一個多分子的締合水分子。由圖可知，締合水分子中，每一個氧原子周圍都有——4個氫原子，其中兩個氫原子較近一些，與氧原子之間是共價鍵，組成水分子；另外兩個氫原子屬於其他水分子，靠氫鍵與這個水分子組合在一起。可以看出，這種多個分子組合成的締合水分子中的水分於排列得比較鬆散，分子的間距比較大。由於氫鍵具有一定的方向性，因此在單個水分子組合為締合水分子后，水的結構發生了變化。一是締合水分子中的各單個分子排列有序，二是各分子間的距離變大。

在液態水變成固態水時，即水凝固成冰、雪、霜時，呈現出締合水分子的形狀。此時，水分子的排列比較“鬆散”，雪、冰的密度比較小。

0℃冰水混合物

將冰熔化成水，締合水分子中的一些氫鍵斷裂，冰的晶體消失。0℃的水與0℃的冰相比，締合水分子中的單個水分子數目減少，分子的間距變小、空隙減少，所以0℃的水比0℃的冰密度大。用倫琴射線照射0℃的水，發現只有15%的氫鍵斷裂，水中仍然存在有約85%的微小冰晶體（即大的締合水分子）。

0~4℃液態

若繼續加熱0℃的水，隨著水溫度的升高，大的締合水分子逐漸瓦解，變為三分子締合水分子、雙分子締合水分子或單個水分子。這些小的締合水分子或單個水分子，受氫鍵的影響較小，可以任意排列和運動，不必形成“鏤空”結構，而且單個水分子還可以“嵌入”大的締合水分子中間。在水溫升高的過程中，一方面，締合數小的締合水分子、單個水分子在水中的比例逐漸加大，水分子的堆集程度（或密集程度）逐漸加大，水的密度也隨之加大。另一方面在這個過程中，隨著溫度的升高，水分子的運動速度加快，使得分子的平均距離加大，密度減小。考慮水密度隨溫度變化的規律時，應當綜合考慮兩種因素的影響。在水溫由0℃升至4℃的過程中，由締合水分子氫鍵斷裂引起水密度增大的作用，比由分子熱運動速度加快引起水密度減小的作用更大，所以在這個過程中，水的密度隨溫度的增高而加大，為反常膨脹。

大於4℃液態

水溫超過4℃時，同樣應當考慮締合水分子中的氫鍵斷裂、水分子運動速度加快這兩個因素，綜合分析它們對水密度的影響。由於在水溫比較高的時候，水中締合數大的締合水分子數目比較小，氫鍵斷裂所造成水密度增加的影響較小，水密度的變化主要受分子熱運動速度加快的影響，所以在水溫由4℃繼續升高的過程中，水的密度隨溫度升高而減小，即呈現熱脹冷縮現象。

在4℃時，水中雙分子締合水分子的比例最大，水分子的間距最小，水的密度最大，水的體積最小。

我們知道，如果物體所受外界壓力不變，大多數物體的體積都隨溫度的升高而增大，即熱脹冷縮.與大多數物質的性質相反，在 0到4℃的溫度範圍內，水的體積卻隨溫度的升高而減小，這就是說，水在0到4℃之間是冷漲熱縮。水的這一反常性質，對江河湖泊中的動植物的生命有著重要的影響和意義.。

當寒冷的冬天來臨后，隨著氣溫的降低，江河湖泊中的水溫也隨之下降。考慮某一湖泊，設其全部湖水處於某一溫度如10℃，再設湖面上空氣的溫度為-10℃，於是湖表面的水就會變冷，比如說溫度降到9℃，這部分水因變冷而收縮，其密度比底下較暖的水為大，因而沉入下面密度較小的水中，下面的 10℃的水上升。冷水的下沉引起一個混合過程，此過程一直持續到湖泊中的所有水冷卻到4℃為止。但是表面的水還要被冷空氣繼續冷卻降溫，表面水的溫度進一步降低，又比如降到3℃，這部分水的體積不但不縮小反而膨脹，即表面水的密度比下面小，因而就浮在水面上不再下沉。對流和混合此時都停止了（當然擴散不會停止），表面下的水基本上靠熱傳導散失內能。水是熱的不良導體，這樣散熱是比較慢的。表面水的溫度，先於下面的水降至0℃、開始結冰. 冰的密度比水小，所以一直浮在水面上而不下沉。冰下面的水，從上到下溫度為0到4℃，從上到下逐漸結冰。由於通過熱傳導而向上散熱，比較慢，並且有地熱由底下向上傳導，因此凍結的速度是緩慢的。若湖泊的水很深，湖水是不會被凍透的，湖泊中生存的動植物就可以在靠近湖底的4℃的水中安然過冬，免遭凍死的厄運.。

如果水的性質也像其它大多數物質那樣，在全部溫度範圍內都是的，那麼溫度較高的水不斷升到水面，向空氣散熱，湖泊中水的凍結就會從底部開始，從而容易導致湖泊中的水全部凍結。這樣一來，就毀掉了湖泊中的一切經不起凍結的生命。

銻，鉍，鎵都是冷脹熱縮的物質，常用於製作合金以減小溫度對精密儀器的影響。

硫化鎳也是冷脹熱縮的物質，常常會致使鋼化玻璃自爆。