水的反常膨胀

石弘

如果有人问你物质由液态凝固成固态时，体积是变大还是变小，你的第一反应一定是变大，因为我们在生活中见到很多水的凝固现象，如夏天把水放入冰箱制冰，拿出来时冰总是从制冰盒鼓出来；冬天室外的自来水管往往会被冻裂等，这些现象好像都证明了物质凝固时体积是要变大的，但从物理角度看，固体相比液体分子间的作用力更大，分子排列会更紧密，所以同一物体固态时的体积应该比液态时的小，生活中也有很多现象能证明这个观点，例如。燃烧的蜡烛凝固后表面是内凹的，家里熬的猪油凝固后表面内陷等。为什么水在凝固时会出现跟其他物质截然相反的结果呢？这是由水的反常膨胀引起的。

一般物质由于温度影响，其体积会热胀冷缩，温度计就是利用液体热胀冷缩的性质制成的，但也有少数物质在一定温度范围内却是热缩冷胀的，如图1所示是通过实验得到的水的体积随温度变化的图象，由图象可以看出，冰跟其他物质一样，随着温度的升高体积变大，但在冰熔化成水时，体积变小，水在由0℃升高到4℃时，其体积不但不增大。反而缩小，当水的温度高于4℃时，它的体积才会随着温度的升高而膨胀，由此得出，冰在受热时与一般物质相同，是膨胀的，遇冷则收缩，水在4℃以上也是热胀冷缩的，只有在0℃到4℃范围内的水与一般物质不同。是热缩冷胀的，我们把这种现象叫作水的反常膨胀。

水为什么会出现反常膨胀呢？科学家已经找到了答案，水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释，由于同学们知识上的局限，可能现在还无法弄懂氢键和缔合水分子理论，随着不断地深入学习，相信大家今后会逐渐了解氢键和缔合水分子理论，弄懂水反常膨胀的原因。

水的反常膨胀对我们生活的大自然有着神奇的影响。例如，江河湖泊里，当冬季气温下降时，若水温在4℃以上，上层的水会先冷却，由于此时水还是正常膨胀，所以冷水体积缩小，密度变大。会下沉到水的底部，而下层的暖水就升到上层来，这样，上层的冷水跟下层的暖水不断地交换位置（对流）。使整个水温逐渐降低，这种热对流现象只能进行到所有水的温度都达到4℃时为止，当水温降到4℃以下时，由于水的反常膨胀，上层的水反而体积膨胀，密度减小，于是冷水层停留在上面继续冷却，一直到温度下降到0℃时，上面的冷水层开始结冰，由于冰的密度比水小，所以冰一直浮在水面上而不下沉，冰下面的水，从上到下温度为0℃到4℃，如图2所示。所以冬季江河湖泊的水结冰是从上到下逐渐结冰的，当冰封水面之后，水的冷却就完全依靠水的热传导方式来进行，由于水的导热性能很差，因此湖底的水温仍保持在4℃左右，水中的动植物在水底就可以安然过冬。如果水在0℃-4℃不是反常膨胀，也像其他大多数物质那样，热胀冷缩，那么温度较高的水的密度小，不断升到水面，向空气散热。湖泊中水就会从湖底开始冻结，最后全部封冻，水中的动植物就不可能在寒冷的季节里生存下来，看到这里，你是不是觉得大自然真是太神奇了！

水的反常膨胀同时也给人们的生产、生活带来一些破坏作用，例如，冬天室外的水管被冻裂、汽车的水箱被冻裂都是因为外面的铁热胀冷缩，而里面的水结冰时体积变大，反常膨胀导致的。

贾任编辑 蔡华杰