水在4摄氏度至0摄氏度之间为什么会热缩冷胀?

题目

水在4摄氏度至0摄氏度之间为什么会热缩冷胀?
清楚简洁

答案

水的密度在3.98℃时最大,为1×103kg/m3,温度高于3.98℃时,水的密度随温度升高而减小 ,在0～3.98℃时,水不服从热胀冷缩的规律,密度随温度的升高而增加.
注：大部分物质固态时的密度比液态时要高；因此,一块固态纯“物质”会沉入液态的纯“物质”中.但是,一块普通的冰却会在水上浮,这是因为固态水的密度比液态水要“低”.这是水的一项非常重要的特性.在室温时,液态水在温度降低时密度会增加,这跟一般物质无异.但在接近冰点的4°C 时,水达到其最大密度,而且当水的温度继续向冰点下降,在标准状态下液态水会膨胀,密度并因此会变“低”.这现象的物理原因跟普通冰的晶体结构有关,该结构又被称为六角形冰Ih.水、镓、铋、锑和硅都会在凝固时膨胀；其他大部份材料则收缩.但要注意的是,并不是所有种类的冰密度都比液态水低.例如高密度非结晶冰和超高密度非结晶冰的密度都比液态纯水要高.因此,普通冰密度比水高的理由并不能容易地凭直觉所得,而且它跟氢键固有的不寻常特性有很大关系.
总的来说,水在凝固时的膨胀是由于其以氢键不寻常的弹性而排成的纵列分子结构,以及能量特别低的六角形晶体形态（也就是标准状态下所采用的形态）.那就是当水冷却的时候,它尝试在晶格形态下成堆,而该晶格会把键的旋转及振动分量拉长,所以一个水分子会被邻近的几个分子推挤,这实际上就减少了当水在标准状态下成冰时的水密度ρ.