水为什么在4度时密度最大

涉及到化学。由于水分子是极性很强的分子，能通过氢键结合成缔合分子（多个水分子组合在一起）。液态水，除含有简单的水分子(H2O)外，同时还含有缔合分子，最典型的两种是(H2O)2和(H2O)3，前者称为双分子缔合水分子。物质的密度由物质内分子的平均间距决定。当温度在0℃水未结冰时，大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在，当温度升高到3.98℃(101kPa)时水分子多以双分子缔合水分子的形式存在（在水温由0℃升至4℃的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大。），分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。如果温度再继续升高在3.98℃以上，一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0℃时，水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键，两个氢键)，这样一种排布导致成一种敞开结构，也就是说冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。

水的密度在4℃时密度最大是一个事实：

在冰湖中作的测试表明，表面冻结的湖里，冰面以下的水体中密度从上至下递增（这是当然的事了，重在下，轻在上），温度也是由上至下递增，从表层水体的0℃至底层水体的4℃。正是因为这个特性，湖里的鱼类能够在严寒的冬天躲在底层水体中，不至于被冻成冰块。

—————为什么会这样？—————

水在4℃时密度最大，是由于水分子间有氢键缔合这样的特殊结构所决定的。根据近代X射线的研究，证明了冰具有四面体的晶体结构。这个四面体是通过氢键形成的，是一个敞开式的松弛结构，因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完，在冰中氢键把这些四面体联系起来，成为一个整体。这种通过氢键形成的定向有序排列，空间利用率较小，约占34％、因此冰的密度较小。

水溶解时拆散了大量的氢键，使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”(即由氢键缔合形成的一些缔合分子)，故液态水已经不象冰那样完全是有序排列了，而是有一定程度的无序排列，即水分子间的距离不象冰中那样固定，H2O分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去。这样分子间的空隙减少，密度就增大了。

温度升高时，水分子的四面体集团不断被破坏，分子无序排列增多，使密度增大。但同时，分子间的热运动也增加了分子间的距离，使密度又减小。这两个矛盾的因素在4℃时达到平衡，因此，在4℃时水的密度最大。过了4℃后，分子的热运动使分子间的距离增大的因素，就占优势了，水的密度又开始减小。

水在摄氏4度时密度最大之谜

陈超

300多年前，人类就已知道水在摄氏4度时密度最大这一现象。虽然这一现象仅仅是由于水的分子结构造成的，但对于水的这种特性，人们至今仍不能作出科学的解释。

日本物质材料研究机构物质研究所研究员三岛修和铃木芳治通过实验证实，在低温条件下两种非晶态冰之间存在不连续性转移。在低温情况下，低密度水和高密度水呈完全不同的形态。这项研究不仅首次解释了水在摄氏4度时密度最大的现象，而且在生态系统、水溶液系统等与水有关的领域有广泛的研究与应用价值。该成果发表在最新一期的《自然》杂志上。

多年来，科学家通过理论计算与实验，一直在进行水的非晶态多样性研究。水通常在摄氏零度时结冰。但水在摄氏零度以下时也可保持液体状态，称作过冷却水。当过冷却水到达临界点以下时就会分离出两种状态，既低密度水和高密度水。与此相对应，也存在低密度和高密度两种非晶态冰。由于水在低温时易于结冰，也由于没有非晶态冰之间互相转移的现存理论，水的非晶态多样性学说存在很多争论。其中之一就是两种密度的非晶态水是否会发生连续转移。

日本科学家的这项研究，观察了高密度非晶态冰（HDA）向低密度非晶态冰（ LDA）变化的过程。发现 H DA在零下158摄氏度以下时整体均一膨胀，在零下158摄氏度时随着不均一的体积变化迅速向 L DA转移。在转移过程中，出现两种成分共存状态，随着时间推移， H DA和LDA逐渐分离。研究证实，低温下两种水之间的转移是不连续的。

科学家认为，这项研究成果是揭开水领域各种问题的重大突破，将对今后过冷却水等研究产生重大影响，同时将带动对同温层中的云的研究及在冰点下活动的动植物细胞内存在的过冷却水的研究。如果今后能够控制这两种水的临界点，就可以自由控制水的结晶，对人类控制地球环境和开发生物冷却保存技术极有价值。

这水是最重要也是最奇特的特性之一。
在绝大多数物质都是热涨冷缩的时候，水是反常的。水在低于4度是是热缩冷涨，导致密度下降，例如同样质量的冰密度比水小，体积比水大。而大于4度时，则恢复热涨冷缩。同样质量，体积大了，密度当然就小了。
4度是平衡临界点。因此水在4度时密度最大。
这是保障生物存在的很重要的一点，因为当水结冰的时候，冰的密度小，浮在水面，可以保障水下生物的生存。当天暖的时候，冰在上面，也是最先滑冻。如果冰的密度比水大，那所有的水生生物都不会存在了。因为冰会不断沉到水下，天暖的时候也不会解冻，来年上面的水继续冰冻，直到所有的水都成了冰。
具体的原理是，水是由氢氧离子组成的，因为氧离子和氢离子的负电荷倾向性（electronegitive）不同，形成共价键。而水分子的V型几何结构，导致其为偶极(polar）共价键。氧离子为负电荷，氢离子为正电荷。
这就导致生物学上一个极重要的现象，氢键（hydrgen
bond）。氢离子通过氢键和其他水分子结合。因为氢键的键能不大，所以在每一瞬时，每个水分子都结合和分离数十亿次氢键。
水分子在液体状态下是无序运动的，随这温度的增高而运动加大，从而导致体积变大。这就是为什么水在4度以上时，密度变小。
当水低于4度时，水分子运动减慢，导致氢键合成的增多，水趋向于固体。因为氢键的键长要大于水分子的平均距离，所以当所有的水分子都被氢键固定住，也就是形成了冰，其体积反比水大。
（原创）