物質受熱的時候會膨脹，遇冷的時候會收縮，這被稱為“熱脹冷縮”，我們常見的物質通常都會出現這種現象，然而有一種物質卻是例外，這種物質就是水。
測量數據表明，水的密度會隨著溫度出現變化，在4℃的時候，水的密度最大，而在0至4℃這個溫度范圍內，隨著溫度的下降，水的密度反而會逐漸變小，也就是說，此時水表現出的其實是“熱縮冷脹”。
那么問題就來了，為什么0至4℃的水，會出現“熱縮冷脹”呢？下面我們就來聊一下這個話題。
從微觀的角度來看，溫度其實就是構成物質的微觀粒子（如分子、原子）熱運動的激烈程度，微觀粒子的熱運動越激烈，物質的溫度就越高，反之則越低，這其實可以看成是一種自然規律。
據此我們就可以將“熱脹冷縮”這種現象簡單地解釋為：當物質受熱時溫度升高，其內部微觀粒子的熱運動就會更加激烈，它們之間的平均距離就增大了，于是在宏觀層面上，物質就會表現為膨脹。反過來講，當物質遇冷時溫度會降低，其內部微觀粒子的熱運動就相對緩慢，它們之間的平均距離就減小了，所以在宏觀層面上，物質就會表現為收縮。
那水為什么會成為例外呢？難道是水違背了自然規律，溫度越低，水分子熱運動的激烈程度反而會越高？答案當然是否定的。
水是由大量的水分子構成，水分子同樣也會遵循自然規律，如果水分子的熱運動是影響水密度的唯一原因，那0至4℃的水確實是會“熱脹冷縮”，實際上，之所以這種溫度的水會出現“熱縮冷脹”這種“反常現象”，其實是因為還有其他的機制在影響水的密度。
水分子是由一個氧原子與兩個氫原子通過“共用電子對”結合而成，不過在水分子的內部結構之中，“共用電子對”卻會強烈地偏向于氧原子這一頭，這就會造成水分子的電荷分布很不均勻，具體表現為氧原子這一頭帶正電，氫原子這一頭則帶負電。
在這種情況下，水分子中的氧原子就會與相鄰水分子中的氫原子產生相互吸引的作用，我們將這種作用稱為“氫鍵”。
對于溫度高于4℃的液態水而言，由于水分子的熱運動相對比較激烈，一般都是只有少量的水分子通過“氫鍵”結合在一起，這被稱為“締合分子”，因為它們的分布是雜亂無章的，所以這并不會影響水的密度。
而在0至4℃這個溫度范圍內，水分子的熱運動相對比較緩慢，于是“氫鍵”就可以“大顯身手”了，大量的水分子開始通過“氫鍵”結合在一起，并且還強烈趨向于在整體上形成一種規則的四面體結構。
這種四面體結構其實很不緊湊，其內部存在著相當大的空隙，這就會增加水分子之間的平均距離，從而導致水的密度減小。
在0至4℃這個溫度范圍內，溫度越低，水分子熱運動就越緩慢，形成這種四面體結構的趨勢就越強，水的密度也就越小，反過來講，溫度越高，水分子形成這種四面體結構的趨勢就越弱，水的密度也就越大，如此一來，就在宏觀層面上表現出了“熱縮冷脹”這樣的效果。
綜上所述，水并沒有違背自然規律，0至4℃的水之所以會出現“熱縮冷脹”，其實是因為在這個溫度范圍內，“氫鍵”對水密度的影響超過了水分子熱運動。
值得一提的是，在水凍結成冰之后，其內部的水分子幾乎全部都通過“氫鍵”結合在一起，并在整體上完整地形成了四面體結構，在這種情況下，水分子之間的平均距離就會比相同溫度下的液態水大得多，其密度也會現明顯地降低，正是因為如此，冰才可以輕易地漂浮在水面上。
對于地球上的生命而言，這無疑是一件幸運的事情，畢竟地球上有很多水域都會在冬季出現冰封的情況，如果水在遇冷結冰的時候會收縮，那冰的密度就會比水更大，也就不會漂浮在水面上，如此一來，一旦到了冬季，這些水域的水就會不斷地結冰，并源源不斷地沉入暗無天日的水底，即使到了夏季不會輕易溶化，久而久之，這些水域基本上就會成為一個大冰塊。
好了，今天我們就先講到這里，歡迎大家關注我們，我們下次再見。
