袁嵐峰：水的密度為什麼在4攝氏度最大？

袁嵐峰：水的密度為什麼在4攝氏度最大？

知乎上有一位同學問我：

您能給我解釋下水為什麼在4°C時密度最大嗎？

我的回答：

這其實是個非常困難的問題，現在都很難給出定量的回答。（這句話的意思是，為什麼水在某個溫度下密度出現最大值是可以定性解釋的，但具體是哪個溫度，很難用定量的計算模擬算準。可能有些模擬給出比4度高几十度的數值，有些模擬給出比4度低幾十度的數值。比4度低幾十度不都結冰了嗎？是的，水的熔點也是很不容易算準的，在許多模擬中在零下幾十度水還是液體呢。）

冰山

定性的回答大概是這樣：溫度越低，熵就需要越低，即結構越有序，這是適用於所有物質的普遍原理。絕大多數物質的密度隨著溫度降低是單調升高的，因為分子之間靠得越近結構越有序。

水的特別之處在於，由於氫鍵的方向性，最有序的結構是像晶體冰那樣的結構，每個水分子周圍有四個氫鍵，指向四面體的四個頂點。這是個很空曠的結構，如果把它擾亂一些，水分子之間反而可以靠得近一點。這就是為什麼冰的密度小於液態水的密度。冰能夠浮在水面上就是這個道理，這對地球上生命的出現具有重大的意義，在冬天保護了冰面下的生物。

當液態水的溫度比較高時，溫度下降時結構變得更有序，分子靠近，密度升高，這是跟其他物質相似的常規行為。當達到某個溫度時，再進一步下降，結構要變得更有序，就需要向冰結構的方向靠近，分子之間開始遠離，密度下降。這兩種相反的趨勢共同作用的結果，就是在某個溫度出現一個密度的最大值。

作者簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，

中國科學技術大學科技與戰略風雲學會會長，

微博@中科大胡不歸 ，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

中國科學技術大學科技與戰略風雲學會，受過科學訓練的理性愛國者們組建的智庫。科學素養，家國情懷，橫跨文理，縱覽風雲。《周易·文言》：「九五曰：飛龍在天，利見大人，何謂也？子曰，同聲相應，同氣相求。水流濕，火就燥。雲從龍，風從虎。聖人作而萬物覩。」 （http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0NzQzMjU3Ng==&mid=2247483652&idx=1&sn=d1e87f74efa09aae6a71bb825bf1acda）

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