化学自习室移动版

    从分子动理论可知，组成物体的分子间存在着相互作用的引力和斥力，且分子在不停的做无规则运动;若分子的能量比较小，分子间的作用力会将其固定在平衡位置附近振动，此时物体宏观上就表现为有一定的形状和体积，这就是固体；当温度上升时，固体分子获得能量越来越多，分子运动越来越剧烈，分子间的作用力很难再束缚它们，于是它们会发生移动，在其它分子间滑来滑去，即它们振动的平衡位置会随时移动，于是固体就熔化为液体，因此液体宏观上就表现为有一定体积而无一定形状。

    问题解决：固体分子的结构比较紧密，分子间空隙很小，一旦固体熔化了，由于分子振动的平衡位置不固定，会随时移动，在移动过程中不可避免的会发生拥挤和碰撞，这种碰撞的总效应就是迫使所有分子分开的再远一些，使分子间空隙变大，宏观上表现为体积增大，即物体膨胀。（大部分固体熔化后体积会改变10％）因此，一般来说，固体熔化后体积会增大。

    然而，水分子具有特殊的结构，水分子间的结合是靠氢键，冰也是一种典型的氢键晶体。由于氢键作用，使得冰晶体中每一个分子周围都有四个紧邻的分子，分子间靠氢键结合，形成一个巨分子，每个巨分子都是以氧原子为中心的四面体，氧原子位于四面体中心和顶角上，氢原子位于两个氧原子之间，这样疏松的结构，必然会形成一些“空穴”，在0℃冰开始熔化时，分子获得能量，部分氢键被破坏，打破了松散的排列，分子开始独立的运动，进行通常的拥挤和碰撞，这就使一些分子进入“空穴”，宏观上就表现为体积变小。所以冰化成水后体积会减小。（1立方米冰化成水后仅为0.9立方米）

    当冰全部化为水后，氢键并没有全部被破坏，还保留着一些四面体巨分子结构和其它一些不完整的四面体结构，如：三分子集团、二分子集团等较疏松的结构。当温度从0℃开始升高时，更多的氢键被破坏，使更多的分子进入“空穴”，宏观上表现为水的体积越来越小，当温度达到4℃以后，温度再升高，液态水正常原因的膨胀将超过氢键破坏导致的体积收缩，此后水就开始表现为正常的膨胀。所以在0℃－4℃之间水表现为“热收缩”现象，由此我们还可推知4℃的水密度最大。正是由于水、冰的这些特殊性质，自然界中才出现了一些奇怪的现象：冬天湖水结冰后，湖上温度达到了-15℃，而湖底的鱼却不会被冻死，因为那里的水温高达4℃；而浮在湖面上的冰全部化为水后，湖上水位却不升高等等。