水結冰時為什么會膨脹

最近天氣是越來越炎熱，在這種氣候下是不是很懷念冬天呢?那厚厚的冰非常的涼爽舒適。夏天人們常常會將一些冷飲放到冰箱里，可是你們注意到?jīng)]有，放進去的時候明明沒有那么大，可結冰后它就膨脹了，這是為什么呢?相信許多朋友們都不太了解，下面就由小編來給大家解答一下疑惑吧。

大多數(shù)物質都有熱脹冷縮的特性，但有些物質在一定的溫度范圍里卻會表現(xiàn)出相反的特性，即受熱時收縮，遇冷時膨脹。具有這種反常膨脹特性的物質里，最常見的就是水，它在4℃以上或0℃以下都遵循熱脹冷縮的規(guī)律，在0℃至4℃卻表現(xiàn)冷脹熱縮。4℃的水密度是最大的，越接近0℃，密度越小，水在結冰時，它的密度變得更小，因此冰總是浮在水面上。如果我們仔細觀察水結冰的過程，會注意到冰首先是在水面出現(xiàn)的。

水為什么會有這種反常膨脹現(xiàn)象呢?這和水的結構有關。大量水分子除了以單個形式存在以外，還會有多個水分子組合在一起，形成“締合水分子”。水分子締合時，相互間存在一種叫作“氫鍵”的相互作用，即不同水分子之間氧原子和氫原子的吸引作用。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(fā)生了變化：一是締合水分子中的各單個分子的排列更為有序，二是各個分子間的距離變大。

水分子能否組合在一起成為“締合水分子”，是與溫度密切相關的，溫度越高，締合的程度越低;溫度越低，締合程度越高。常溫下，有大約50%的單個水分子組合為締合水分子。顯然，締合程度越高，水的結構就越松散，其密度就越低。然而，與此同時，溫度還對水分子的熱運動有影響，溫度越高，熱運動越快;溫度越低，熱運動越慢。這兩種不同的作用，對水密度的影響是相反的。因此，誰占上風，就決定了水是熱脹冷縮還是熱縮冷脹了。

在4℃以下時，締合作用對于水的密度影響更大，這時水呈現(xiàn)出反常膨脹的特性;而當溫度超過4℃時，則主要受熱運動的影響，這時水的密度隨溫度升高而減小，即呈現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象。

值得一提的是，除了水之外，銻、鉍、鎵和青銅等物質在一定溫度范圍也有“反常膨脹”的特性。

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