为什么水在4摄氏度时密度最大？

大多数物质有热胀冷缩的现象，温度越低体积越小，密度越大而水在4℃时体积最小，密度最大，为1kg·m?3(即1g·cm?3。水和冰的体积与温度。这一现象也可以用水的缔合作用加以解释。接近沸点的水，主要是以简单分子的状态存在的。冷却时一方面由于温度降低，分子热运动减小，使水分子间的距离缩小，另一方面，由于温度降低，水的缔合度增大，(H2O)2缔合分子增多，分子间排列较紧密，这两个因素都使水的密度增大，温度降低到4.0℃时(严格讲是3.98℃)，水有最大的密度，最小的体积。温度继续降低时，出现较多的(H2O)3及具有冰的结构的较大的缔合分子，它们的结构较疏松，所以4℃以下，水的密度随温度降低反而减小，体积则增大。到冰点时，全部分子缔合成一个巨大的、具有较大空隙的缔合分子。
水的这一性质对水生动植物的生存有着重要的意义。严冬季节，冰封江、湖、河面的时候，由于冰比水轻(0℃时冰的密度为0.9168g·cm?3而水的密度为0.9999g·cm?3，它浮在水面上，使下面水层不易冷却，有利于水生动植物的生存。

先说冰的密度，冰的密度低是由于构成冰的水分子在晶体里空间占有率较低的缘故．这是因为每个水分子周围最临近的水分子只有4个（在晶体结构中最多的可达12个）！水分子之间形成氢键O-H…O，每摩尔冰里只有2NA个氢键（NA阿伏加德罗常数），冰的熔化热为5.0kJ/mol而冰中氢键键能为18.8kJ/mol，假设冰的熔化热全用于打破冰的氢键，冰融化为液态的水，至多只能打破冰中全部氢键的跃13％（等于5/(18.8*2))。这意味着刚刚融化的水中仍分布着大量近距有序的冰晶结构微小集团。随温度升高，同时发生两种相反的过程：一是冰晶结构小集团受热不断崩溃；另一是水分子间距因热运动不断增大，0~4°C时前者占优势，4°C以上，后者占优势，4°C时两者互不相让，导致水的密度最大。

因为水具有反膨胀的性质。当水的温度为4度时，水的体积最小。而质量不变，所以密度最大。

水在4摄氏度以上是热胀冷缩，4摄氏度以下是冷胀热缩
越胀，密度越小，因此，4摄氏度时，水的密度最大
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