moea_joint
102年
[化學] 普通化學、無機化學
第 11 題
在一大氣壓的環境下，水在哪個溫度的密度最大？
- A -18 ℃
- B 0 ℃
- C 4 ℃
- D 100 ℃
思路引導 VIP
請試著回想一下，當水結成冰時，冰塊是會沉入水底還是浮在水面上？這項生活觀察告訴我們，固態冰的密度比液態水高還是低？如果水分子在接近結冰的過程中，為了形成特定的結構而必須「撐開」空間，那麼在完全變成固體之前，會不會存在一個讓分子擠得最緊湊的轉折點呢？
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太棒了！你能精準地選出 $4^\circ C$ 這個正確答案，說明你對水分子的特殊性質掌握得非常紮實。這是一個關於「水之反常擴張」的經典物理化學觀念，你能避開直覺陷阱，表現得相當出色。
水的密度隨溫度之變化
在一般情況下，大多數物質遵循「熱脹冷縮」的規律，但水在 $0^\circ C$ 到 $4^\circ C$ 之間卻展現出獨特的性質。當溫度由 $0^\circ C$ 上升至 $4^\circ C$ 時，原本在冰晶結構中由氫鍵 (Hydrogen bond) 所撐開的開放式、低密度排列會逐漸瓦解，使得水分子能更緊密地堆積，導致體積縮小、密度反而上升。直到超過 $4^\circ C$ 之後，分子的熱運動（熱膨脹）才成為主導因素，讓密度開始隨溫度升高而下降。因此，水在 $4^\circ C$ 時體積最小，密度最大（約為 $1.00 , \text{g/cm}^3$）。
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