水時(shí)我們的生命之源,沒(méi)有水世界上所有的生物就就無(wú)法存活,所以我們現(xiàn)在要注意保護(hù)我們身邊的淡水資源。那么水在什么時(shí)候體積最大，讓我一起進(jìn)入學(xué)習(xí)啦了解更多。

　　水在4攝氏度的狀態(tài)下體積最大

　　正象凝結(jié)核必須首先存在水蒸汽才能從超飽和空氣中得以凝結(jié)一樣，冰結(jié)核也必須首先存在水滴才能在低溫下冷凍。冰結(jié)核的數(shù)量比凝結(jié)核的數(shù)量稀少得多，而且空氣越冷，冰結(jié)核就越少。空氣很少能夠每立方英寸包含0.06個(gè)以上的冰結(jié)核(0.004cm)，在華氏-20度(攝氏-29度)左右的溫度下，也許會(huì)少于每立方英寸0.0006個(gè)冰結(jié)核(大約在1，700立方英寸或27，863立方厘米中才有一個(gè)冰結(jié)核)。

　　純土壤顆粒是常見(jiàn)的冰結(jié)核，火山灰和植物所釋放的混合物也同樣常見(jiàn)，但是，一旦冰晶開(kāi)始形成，它們會(huì)促進(jìn)水在它們身上結(jié)凍。微小的冰晶是最好的冰結(jié)核。然而，即使冰結(jié)核出現(xiàn)，空中飄動(dòng)的水滴在氣溫降到華氏32度(攝氏0度)的時(shí)候也不會(huì)轉(zhuǎn)化為冰。在華氏15度(攝氏-9度)，一片云仍然幾乎完全由水滴組成。當(dāng)氣溫降至華氏-4度(攝氏-20度)以下，冰晶開(kāi)始在數(shù)量上超過(guò)了水滴。而且，只有溫度降至華氏-4度(攝氏-20度)以下，云才完全由冰晶組成，但是就是這樣也有例外的時(shí)候。在冰結(jié)核缺乏的情況下，水滴可以保持到到華氏-40度(攝氏-40度)，然后它們會(huì)自動(dòng)結(jié)冰。

　　水變成冰體積變大，是因?yàn)橐簯B(tài)水中水分子之間存在著較強(qiáng)的氫鍵作用力。它比分子間的作用力(范得瓦耳斯力)大得多。當(dāng)水處于液態(tài)時(shí)，在氫鍵力的作用下，水分子靠近，在宏觀上就表現(xiàn)為體積小。而變?yōu)楣腆w時(shí)，水變?yōu)榫w，分子排列有了規(guī)律，氫鍵的作用力削弱，宏觀的表現(xiàn)為體積變大。 大多數(shù)的液體變?yōu)楣腆w都是體積變小，因?yàn)榉肿釉谖矬w固態(tài)時(shí)排列較緊密。但是有一類(lèi)除外，就是在液態(tài)時(shí)分子間存在氫鍵的物質(zhì)除外。 水和其他物質(zhì)不一樣，其他物質(zhì)都是熱脹冷縮，固態(tài)一定比液態(tài)的體積要小，但水不一樣。

　　本質(zhì)原因是因?yàn)樗臍滏I使水和其他物質(zhì)不同。冰具有四面體的晶體結(jié)構(gòu)。這個(gè)四面體是通過(guò)氫鍵形成的，是一個(gè)敞開(kāi)式的松弛結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲鍌€(gè)水分子不能把全部四面體的體積占完，在冰中氫鍵把這些四面體聯(lián)系起來(lái)，成為一個(gè)整體。這種通過(guò)氫鍵形成的定向有序排列，空間利用率較小，約占34%、因此冰的密度較小。

　　水溶解時(shí)拆散了大量的氫鍵，使整體化為四面體集團(tuán)和零星的較小的“水分子集團(tuán)”(即由氫鍵締合形成的一些締合分子)，故液態(tài)水已經(jīng)不象冰那樣完全是有序排列了，而是有一定程度的無(wú)序排列，即水分子間的距離不象冰中那樣固定，水分子可以由一個(gè)四面體的微晶進(jìn)入另一微晶中去。這樣分子間的空隙減少，密度就增大了。同樣，氫鍵的存在也是解釋水在4攝氏度時(shí)密度最大的原因。

　　分子排列方式在此時(shí)達(dá)到最緊密 300多年前，人類(lèi)就已知道水在4攝氏度時(shí)密度最大這一現(xiàn)象。雖然這一現(xiàn)象僅僅是由于水的分子結(jié)構(gòu)造成的，但對(duì)于水的這種特性，人們至今仍不能作出科學(xué)的解釋。 日本科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在低溫條件下兩種非晶態(tài)冰之間存在不連續(xù)性轉(zhuǎn)移。在低溫情況下，低密度水和高密度水呈完全不同的形態(tài)。這項(xiàng)研究不僅首次解釋了水在攝氏4度時(shí)密度最大的現(xiàn)象，而且在生態(tài)系統(tǒng)、水溶液系統(tǒng)等與水有關(guān)的領(lǐng)域有廣泛的研究與應(yīng)用價(jià)值。該成果發(fā)表在《自然》雜志上。 多年來(lái)，科學(xué)家通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，一直在進(jìn)行水的非晶態(tài)多樣性研究。水通常在攝氏零度時(shí)結(jié)冰。但水在攝氏零度以下時(shí)也可保持液體狀態(tài)，稱(chēng)作過(guò)冷卻水。當(dāng)過(guò)冷卻水到達(dá)臨界點(diǎn)以下時(shí)就會(huì)分離出兩種狀態(tài)，既低密度水和高密度水。與此相對(duì)應(yīng)，也存在低密度和高密度兩種非晶態(tài)冰。由于水在低溫時(shí)易于結(jié)冰，也由于沒(méi)有非晶態(tài)冰之間互相轉(zhuǎn)移的現(xiàn)存理論，水的非晶態(tài)多樣性學(xué)說(shuō)存在很多爭(zhēng)論。其中之一就是兩種密度的非晶態(tài)水是否會(huì)發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)移。

　　日本科學(xué)家的這項(xiàng)研究，觀察了高密度非晶態(tài)冰(HDA)向低密度非晶態(tài)冰( LDA)變化的過(guò)程。發(fā)現(xiàn) H DA在零下158攝氏度以下時(shí)整體均一膨脹，在零下158攝氏度時(shí)隨著不均一的體積變化迅速向 L DA轉(zhuǎn)移。在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，出現(xiàn)兩種成分共存狀態(tài)，隨著時(shí)間推移， H DA和LDA逐漸分離。研究證實(shí)，低溫下兩種水之間的轉(zhuǎn)移是不連續(xù)的。 科學(xué)家認(rèn)為，這項(xiàng)研究成果是揭開(kāi)水領(lǐng)域各種問(wèn)題的重大突破，將對(duì)今后過(guò)冷卻水等研究產(chǎn)生重大影響，同時(shí)將帶動(dòng)對(duì)同溫層中的云的研究及在冰點(diǎn)下活動(dòng)的動(dòng)植物細(xì)胞內(nèi)存在的過(guò)冷卻水的研究。如果今后能夠控制這兩種水的臨界點(diǎn)，就可以自由控制水的結(jié)晶，對(duì)人類(lèi)控制地球環(huán)境和開(kāi)發(fā)生物冷卻保存技術(shù)極有價(jià)值 密度最大，當(dāng)同等質(zhì)量，體積就最大了。