【水四度】水四度最奇特！交大揭開「水在4℃時密度最大」不解之謎

[液態水的反常膨脹：在低温下形成的奈米微冰晶]

水在通常情況下會熱脹冷縮，但水卻在 0℃～4℃ 範圍內表現出反常的熱縮冷脹現象，導致 4℃ 時水呈現最高的密度。這篇文章剖析了造成這一奇特的反常現象的主要原因：水中氫鍵的影響以及奈米微冰晶的形成。

先前科學家普遍認為，水分子在 0℃ 時會形成大量與冰相似的疏鬆結構，隨著温度上升，這些結構逐漸被破壞，形成較緻密的結構，使得水密度增加。然而，在 4℃ 以上，由於分子熱運動加劇，導致水分子間距離增加，進而降低了水的密度。因此，在 4℃ 時，兩種效應同時存在，使得密度達到最大。

最近，研究人員進一步發現，在水温低於 10℃ 時，水中還會生成奈米尺寸的微冰晶。這些微冰晶會抑制原本液態水密度的增加，導致水在 4℃ 時呈現異常的高密度。

科學家推測，這些奈米微冰晶可能與水分子特殊的排列方式有關，但對於其確切形成機制仍有待進一步的研究。然而，這項發現揭示了液態水反常膨脹現象的另一個重要影響因素，豐富了我們對於水這一生命之源的理解。

温度範圍 (℃)	水的狀態	分子結構	密度
> 10	純液體	無奈米冰	典型液體密度
< 10	液體 + 奈米冰	存在奈米冰	低於典型液體密度
4	最大密度	最佳緊密分子結構	最高密度
0-4	熱縮冷脹	破壞疏鬆結構	密度增加
> 4	熱脹冷縮	分子運動加劇	密度降低

水四度的奇異現象

在水的眾多性質中，有一個獨特的現象稱為「水四度」。這個現象指的是水在4攝氏度時，其密度達到最大值。這個特性與其他物質形成鮮明對比，因為大多數物質在凝固點附近密度會最大。

水四度的成因

水四度的成因歸因於其獨特的分子結構。水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成，形成一個彎曲的形狀。在較高的温度下，這些分子以隨機方式排列。然而，當温度接近4攝氏度時，分子會開始形成氫鍵，形成一個類似蜂巢的結構。這種結構最大程度地減少了水分子的體積，從而增加了水的密度。

水四度的現象在許多自然和工業應用中發揮著至關重要的作用。

應用	水四度的作用
湖泊和海洋	防止湖泊和海洋在冬季完全結冰，允許水生生物在冰層下方生存。
製冷	某些製冷裝置利用水四度的特性來防止冰堵塞。
水管	水管中水的密度在4攝氏度時達到最大，這有助於防止水管破裂。

測量水的密度可以通過以下步驟進行：

表的計算結果如下：

註：在標準大氣壓力下測量

水四度的現象對地球和人類活動有廣泛的影響，其中一些影響包括：