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熱脹冷縮，0℃時水的密度最大？其實4℃才是

生活百科液態

水有三種形態：及固態、液態、和氣態 。
這三種水的形態取決于水的溫度變化 。溫度過低到達冰點形成固態 。溫度過高達到沸點形成氣態 。結余冰點和沸點之間溫度的水為液態 。
這三種水的形態，以氣態密度最小，液態密度最大，固態冰密度居中而定 。氣態這個不用過多解釋，固態我們也可以通過冰的漂浮得到定論 。
這是由于物質分子的運動造成，分子的運動越快說明溫度越高 。所謂熱脹冷縮 。同質量下體積不一樣，密度也就不一樣 。
那么，水在液態下，我們以水能保持液體最低形態的溫度也就是冰點來說，這個時候水的密度是最大嗎？
其實不然，研究發現，4℃時水才是密度最大的時候 。為何會這樣？我們先來了解水中一種奇特的相互作用力――氫鍵 。
什么是氫鍵？氫鍵是一種分子與分子之間的特殊作用力 。
比如水，水中的氫原子和一種電負性大的原子以共價鍵（一種穩定機構）結合 。結合后假設為A 。當A靠近另一種電負性同樣大，半徑小的原子（假設B）后 。那么AB之間就會產生相互作用，這就是所謂氫鍵 。
氫鍵的多少和有無對于物質本身的性質有很大影響 。你比如從密度，溶解性，粘性之類都有很大的區別 。
【熱脹冷縮，0℃時水的密度最大？其實4℃才是】
氫鍵一般在物質液態時生成 。氫鍵的存在和溫度分子之間的運動速率密不可分 。
液態水時，氫鍵生成 。當溫度升高，水分子的運動速率加快時，這個時候水本身就無法生成氫鍵，原本存在的氫鍵也會被破壞 。
而溫度過低，水分子運動速率下降時，這個時分子運動根本破壞不了氫鍵，這個時候氫鍵開始發揮它的作用 。它把水分子結起來形成有規則的空間結構 。在一個晶格中，四個氫原子在正四面體的頂點上，一個氧原子位于四面體的中心 。
這種情況下也就是到達冰點結冰了 。由于氫鍵作用形成的這種晶體結構使分子之間間隙變大，導致冰的體積比水大，密度也就變低 。
氫鍵作用下的晶體結構，不用零度就已經開始 。在氫鍵的作用下，水分子要形成這種結構，前面我已經說了，首先一個就是要在低溫狀態，分子運動的速率小，保證氫鍵不被分子運動破壞的情況下 。
但這個溫度并不需要零度 。根據研究表明，當溫度低于4度的時候，其實氫鍵已經開始發揮它的作用，水中就已經開始形成冰晶格了 。
這里很多朋友會說，我觀察水在4℃的時候，水仍然是液態狀，并沒有結冰現象發生啊 。
其實冰晶確實已經產生了，結冰是液態水的完全固態化，這種情況只是還沒有達到所有液體都結冰的情況，我們肉眼是無法看見的 。借助于顯微鏡，你就會發現，水體之中其實已經充斥了很多冰晶了 。

由于冰晶的存在 。會占據水體的一定空間 。所以這個時候水的密度反而變大了 。
4攝氏度時，恰好是一個分水嶺 。這個溫度是水保持完全液態狀時最低溫度，當然密度也是最大的 。

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