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为什水的密度在四度时最大

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日本物质材料研究机构物质研究所研究员三岛修和铃木芳治通过实验证实,在低温条件下两种非晶态冰之间存在不连续性转移.在低温情况下,低密度水和高密度水呈完全不同的形态.这项研究不仅首次解释了水在摄氏4度时密度最大的现象,而且在生态系统、水溶液系统等与水有关的领域有广泛的研究与应用价值.该成果发表在最新一期的《自然》杂志上.
多年来,科学家通过理论计算与实验,一直在进行水的非晶态多样性研究.水通常在摄氏零度时结冰.但水在摄氏零度以下时也可保持液体状态,称作过冷却水.当过冷却水到达临界点以下时就会分离出两种状态,既低密度水和高密度水.与此相对应,也存在低密度和高密度两种非晶态冰.由于水在低温时易于结冰,也由于没有非晶态冰之间互相转移的现存理论,水的非晶态多样性学说存在很多争论.其中之一就是两种密度的非晶态水是否会发生连续转移.
日本科学家的这项研究,观察了高密度非晶态冰（HDA）向低密度非晶态冰（ LDA）变化的过程.发现 H DA在零下158摄氏度以下时整体均一膨胀,在零下158摄氏度时随着不均一的体积变化迅速向 L DA转移.在转移过程中,出现两种成分共存状态,随着时间推移,H DA和LDA逐渐分离.研究证实,低温下两种水之间的转移是不连续的.
科学家认为,这项研究成果是揭开水领域各种问题的重大突破,将对今后过冷却水等研究产生重大影响,同时将带动对同温层中的云的研究及在冰点下活动的动植物细胞内存在的过冷却水的研究.如果今后能够控制这两种水的临界点,就可以自由控制水的结晶,对人类控制地球环境和开发生物冷却保存技术极有价值涉及到化学.由于水分子是极性很强的分子,能通过氢键结合成缔合分子（多个水分子组合在一起）.液态水,除含有简单的水分子(H2O)外,同时还含有缔合分子,最典型的两种是(H2O)2和(H2O)3,前者称为双分子缔合水分子.物质的密度由物质内分子的平均间距决定.当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在,当温度升高到3.98℃(101kPa)时水分子多以双分子缔合水分子的形式存在（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.）,分子占据空间相对减小,此时水的密度最大.如果温度再继续升高在3.98℃以上,一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了.水温降到0℃时,水结成冰,水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子,在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键,两个氢键),这样一种排布导致成一种敞开结构,也就是说冰的结构中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小.