水的密度在4℃时为何达到最大值？

水结冰后会浮在水面上，说明冰的密度比水的密度小，从表4中可以看出4℃时水的密度最大，为什么呢？

表4　水的密度

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图19　不同温度下相同体积的水中所含的水分子数示意图

图19表示的是在不同温度下相同体积的水中含有的水分子数。在冰中有7个，在冷水中大约有15个，单位体积中水分子数越多，密度越大。

在冰中水分子间的虚线代表的是氢键。氢键是比范德华力更强的作用（不是化学键）。在水分子内氢原子与氧原子形成共价键后，由于氧原子半径小、电负性高（如表5所示，电负性是元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度，元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强）。所以成键的共用电子对强烈地偏向氧原子，使氢原子几乎成为“赤裸”的质子。

表5　氢、氮、氧、氟的电负性（4.0为最大值）

由于质子半径特别小，可与相邻分子中的电负性强的氧原子产生静电作用，即形成氢键。表6中的虚线表示氢键（X、Y分别表示F、O或N）。(www.xing528.com)

表6　不同类型的氢键

由于H原子体积小，最多结合两个原子（如图20所示）。

图20　水分子之间氢键示意图

在冰的结构中，每个氢原子都参与形成氢键，每个水分子通过氢键与其他4个水分子相连，这种结构很不紧凑，其内部空隙较大，因而水结成冰时体积会膨胀。

当冰在0℃—4℃融化时，部分氢键受到破坏，冰的骨架被破坏而变成液态水（如图20所示），体积变小，同时分子的热运动增强会导致体积增大，但氢键部分被破坏引起的体积变小为主要因素，所以刚融化时水的密度大于冰的密度。

当温度大于4℃时，水中的小结构集团（H 2O）n不断被破坏，体积变小。但是，随着温度的不断升高，分子热运动增强并占主导地位，所以水的体积不断变大，密度开始变小。所以，在4℃时水的密度最大。

图21　冰融化为水的示意图