为什么水在0°C~4°C的时候会反常膨胀？

水的反常膨胀现象可以用氢键、缔合水分子理论予以解释。物质的密度由物质内分子的平均间距决定。对于水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变大，所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合的单个水分子个数决定。

具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。综合考虑两个因素的影响，便可得知水的密度变化规律。

扩展资料

0~4℃液态的水，随着水温度的升高，大的缔合水分子逐渐瓦解，变为三分子缔合水分子、双分子缔合水分子或单个水分子。这些小的缔合水分子或单个水分子，受氢键的影响较小，可以任意排列和运动，不必形成“镂空”结构，而且单个水分子还可以“嵌入”大的缔合水分子中间。

在水温升高的过程中，一方面，缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐加大，水分子的堆集程度（或密集程度）逐渐加大，水的密度也随之加大。另一方面在这个过程中，随着温度的升高，水分子的运动速度加快，使得分子的平均距离加大，密度减小。

考虑水密度随温度变化的规律时，应当综合考虑两种因素的影响。在水温由0℃升至4℃的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大，为反常膨胀。

参考资料来源：百度百科-冷胀热缩

参考资料来源：百度百科-反常膨胀

这是水的反膨胀现象
水在4℃时密度最大，是由于水分子间有氢键缔合这样的特殊结构所决定的。冰具有四面体的晶体结构，这个四面体是通过氢键形成的，是一个敞开式的松弛结构，因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完，在冰中氢键把这些四面体联系起来，成为一个整体。这种通过氢键形成的定向有序排列，空间利用率较小，约占34％、因此冰的密度较小。

冰溶解时拆散了大量的氢键，使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”(即由氢键缔合形成的一些缔合分子)，故液态水已经不象冰那样完全是有序排列了，而是有一定程度的无序排列，即水分子间的距离不象冰中那样固定，H2O分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去。这样分子间的空隙减少，密度就增大了。

温度升高时，水分子的四面体集团不断被破坏，分子无序排列增多，使密度增大。但同时，分子间的热运动也增加了分子间的距离，使密度又减小。这两个矛盾的因素在4℃时达到平衡，因此，在4℃时水的密度最大。过了4℃后，分子的热运动使分子间的距离增大的因素，就占优势了，水的密度又开始减小。

据说是由于氢键的作用

反证法：
如果水不在0*C~4*c时会反常膨胀，也就是说水的密度在0摄氏度时最大，那么海洋中的水就会从底部开始结冰，那么在寒冷的冬季就不能给动物在海洋下面提供一个相对温暖的空间，动物就无法过冬，地球上甚至因此就不会有动物存在。
因此，水在0*C~4*c时必须反常膨胀。
证毕！