我們知道，正常情況下物質是熱脹冷縮的，所以溫度越高，物質的密度越小。但也有一些例外情況，如水在0℃～4℃之間是熱縮冷脹的，人們把這種現象叫做反常膨脹。設想把一定質量的水從0℃加熱到10℃，水的體積是先減小後增大的，4℃是轉折點，此時體積最小，密度最大。水的這種奇異特性很容易在自然界中看到，如冬天河塘裡的水結冰時，總是從水面開始的。也就是說首先是河面的水溫降到0℃，下面的水溫則高於0℃，從上向下溫度逐漸升高，河底溫度在4℃左右;密度則逐漸增大，河底密度最大。正因為水的這種奇異特性，才出現“人在冰上走，魚在冰下游”的自然景象。 我們的問題是，水為什麼會出現反常膨脹現象？或者說，為什麼水在4℃時密度最大呢？一般來說，熱學中的宏觀現象都有它的微觀本質，所以水的反常膨脹也跟水分子特殊排列有關。但要從分子論的角度給出詳細的解釋，困難比較大。到目前為止，人們對水分子的研究還是很不夠的，有關水的反常膨脹現象尚沒有統一的解釋。介紹兩種常見且通俗的解釋，供參考。 一 在溫度較低時，水中不完全是液態，還有一些微小的冰晶體。在冰晶體中，每個分子以一定的規律排列在晶體點陣內，每個分子都被四個分子所包圍，四個分子在空間構成一個四面體。而液態水中的分子，排列比較雜亂，不像冰晶體中的分子那樣規則排列。雖然這些水分子在液態水中運動比在冰晶體中更自由些，但是分子間的平均距離卻比在冰中小，所以液態水的密度比固態水的密度大。科學家用X射線研究接近0℃的水的結構時，證實在液態水中存在著非常小的冰晶體。根據推算，在接近0℃的水中大約有0.6%的這種冰晶體。當溫度逐漸升高時，這些冰晶體逐漸被破壞，引起了體積的減小，致使密度增大。 在溫度4℃上下，水中有兩種使密度發生改變的效應：一是由於溫度升高，液態水的分子熱運動加劇，分子間的平均距離增大，致使水的密度減小；另一種是由於溫度升高，水中所含有的冰晶體逐漸熔解，分子間的平均距離減小，致使密度增大。在1大氣壓（101.325千帕）下，水溫低於4℃前，後一種效應占優勢；而水溫高於4℃後，前一種效應占優勢。設想一定質量的水，溫度從0℃逐漸升高到5℃，根據上面的分析，水的體積將先減小後增大，密度則先增大後減小，在4℃時體積最小，密度最大。實際上，溫度越過4℃以後，冰晶體會越來越少，直至消失，水就進入正常膨脹狀態了。 二 水由不斷運動著的水分子組成，而水分子是有極分子，即它的正、負電荷“重心”不重合。在一般情形下，水並不是以單個分子的形式存在的，而是由多個分子相互吸引聯在一起的。在0℃時，由三個分子聯在一起組成分子團；當溫度升高到4℃時，這種組合轉化為兩個分子聯合在一起的分子團，顯然兩個分子組合的排列要比三個分子組合的排列緊密些；當溫度升高到4℃以上時，分子熱運動加劇，動能增大，吸引在一起的兩個分子又逐漸拆開為單個分子，運動的範圍更大了，導致水分子間的平均距離變大，密度減小。所以水在4℃時密度最大。 上面兩種觀點雖然都解釋了水在4℃時密度最大這一現象，但在沒有經過實驗嚴格驗證之前，只能稱為科學假說，理論本身是否正確還有待人們進一步研究。事實上，為解釋自然現象而提出假說，再用實驗去驗證假說，從而得到正確的理論，正是科學探究的一般過程。
我們知道，正常情況下物質是熱脹冷縮的，所以溫度越高，物質的密度越小。但也有一些例外情況，如水在0℃～4℃之間是熱縮冷脹的，人們把這種現象叫做反常膨脹。設想把一定質量的水從0℃加熱到10℃，水的體積是先減小後增大的，4℃是轉折點，此時體積最小，密度最大。水的這種奇異特性很容易在自然界中看到，如冬天河塘裡的水結冰時，總是從水面開始的。也就是說首先是河面的水溫降到0℃，下面的水溫則高於0℃，從上向下溫度逐漸升高，河底溫度在4℃左右;密度則逐漸增大，河底密度最大。正因為水的這種奇異特性，才出現“人在冰上走，魚在冰下游”的自然景象。 我們的問題是，水為什麼會出現反常膨脹現象？或者說，為什麼水在4℃時密度最大呢？一般來說，熱學中的宏觀現象都有它的微觀本質，所以水的反常膨脹也跟水分子特殊排列有關。但要從分子論的角度給出詳細的解釋，困難比較大。到目前為止，人們對水分子的研究還是很不夠的，有關水的反常膨脹現象尚沒有統一的解釋。介紹兩種常見且通俗的解釋，供參考。 一 在溫度較低時，水中不完全是液態，還有一些微小的冰晶體。在冰晶體中，每個分子以一定的規律排列在晶體點陣內，每個分子都被四個分子所包圍，四個分子在空間構成一個四面體。而液態水中的分子，排列比較雜亂，不像冰晶體中的分子那樣規則排列。雖然這些水分子在液態水中運動比在冰晶體中更自由些，但是分子間的平均距離卻比在冰中小，所以液態水的密度比固態水的密度大。科學家用X射線研究接近0℃的水的結構時，證實在液態水中存在著非常小的冰晶體。根據推算，在接近0℃的水中大約有0.6%的這種冰晶體。當溫度逐漸升高時，這些冰晶體逐漸被破壞，引起了體積的減小，致使密度增大。 在溫度4℃上下，水中有兩種使密度發生改變的效應：一是由於溫度升高，液態水的分子熱運動加劇，分子間的平均距離增大，致使水的密度減小；另一種是由於溫度升高，水中所含有的冰晶體逐漸熔解，分子間的平均距離減小，致使密度增大。在1大氣壓（101.325千帕）下，水溫低於4℃前，後一種效應占優勢；而水溫高於4℃後，前一種效應占優勢。設想一定質量的水，溫度從0℃逐漸升高到5℃，根據上面的分析，水的體積將先減小後增大，密度則先增大後減小，在4℃時體積最小，密度最大。實際上，溫度越過4℃以後，冰晶體會越來越少，直至消失，水就進入正常膨脹狀態了。 二 水由不斷運動著的水分子組成，而水分子是有極分子，即它的正、負電荷“重心”不重合。在一般情形下，水並不是以單個分子的形式存在的，而是由多個分子相互吸引聯在一起的。在0℃時，由三個分子聯在一起組成分子團；當溫度升高到4℃時，這種組合轉化為兩個分子聯合在一起的分子團，顯然兩個分子組合的排列要比三個分子組合的排列緊密些；當溫度升高到4℃以上時，分子熱運動加劇，動能增大，吸引在一起的兩個分子又逐漸拆開為單個分子，運動的範圍更大了，導致水分子間的平均距離變大，密度減小。所以水在4℃時密度最大。 上面兩種觀點雖然都解釋了水在4℃時密度最大這一現象，但在沒有經過實驗嚴格驗證之前，只能稱為科學假說，理論本身是否正確還有待人們進一步研究。事實上，為解釋自然現象而提出假說，再用實驗去驗證假說，從而得到正確的理論，正是科學探究的一般過程。