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为什么冰会浮于水上?


实验室k / 2019-04-28

       “冰浮于水上”是非常不可思议的!

       水是由含氢元素与氧元素的水分子构成的。氢元素是宇宙中最多的元素,而氧元素又是地壳中最多的元素,可以说,水是天地间最为平凡和常见的物质。

       正因为如此,可能很多人并不会觉得“固态的冰能够漂浮在液态的水之上”是一件多么不可思议的事情吧!


       但是,“冰浮于水上”这个现象,对于“水”这种物质来说,的确是一种“异常”的状态。这在自然界成千上万种的物质中,都是一个非常罕见的例子呢!

       一般来说,同一种物质其固体状态时的密度,总是要大于液体状态时的。从微观的角度来看,物质是由分子构成的,而固体的分子则聚集得更加紧密。


       无论何种状态下,分子与分子之间都是相互吸引的。固态时,分子与分子之间的距离很近,引力也较强,分子只能局限在自己的位置上,移动不得。液态时,分子与分子之间的距离被拉得很开,相互间的引力也比固体时要弱,分子可以到处移动。

       基于这个原因,液体才可以根据放入其中的物体而改变自身的形状。与固体相比,液体内部每一个分子移动的空间都要大很多,可以实现自由地移动。

       总之,固体分子彼此紧挨在一起,液体分子则“宽松”许多。

       因此,普通的物质其固体时的密度都是较大的,当其投入到液体中时就会下沉。

       但是水却不同,其固体状态时的“冰”,是会漂浮于液体状态时的“水”上的。冰的密度,在0℃时为0.9168克/立方厘米。冰融化成水后,其体积会减少10%,0℃时的密度为0.9998克/立方厘米。当温度上升时,水的密度也会增大,3.98℃时达到最大值的0.99973克/立方厘米。

       之后温度再上升,水的密度又会开始减小,达到沸点的100℃时,其密度为0.9584克/立方厘米,这个值与冰相比还要大5%。

       类似水这样“固体密度<液体密度”的物质,还有锗、铋、硅等。在寒冷的冬夜,有水管被冻裂的情况,就是因为水变成冰后其体积增大了。


       多亏了水的这种“异常”表现,才使得生活在水中的生物可以安全地度过冬天。池塘或湖泊表面的水,在外部气温降至4℃时密度会增大,然后沉下去。

       这样一来,达到最大密度的4℃的水沉到了底部,而水面附近接近0℃的水会上升。随着气温的继续下降,其在水面附近结上了冰。

       冰的密度比水要小,所以会一直漂浮在水面上。而这个结冻的冰层,又在一定程度上起到了隔温层的作用,可以让湖底的水在冰冷刺骨的寒夜也不会被冻上。

       假如,水也像其他物质一样,温度下降后体积也缩小,那就悲剧了。冰冷的液体停留在湖底,湖水将从下往上被冻结。如果再没有隔温层的话,最终整个湖泊都会被冻上。

       这样一来,水中的生物也就都无法生存了。


       水分子的形状如上图所示。水分子看起来近似一个直径仅为3埃米(Å,1Å=10(-10次方)m)的球形。

       构成水分子的氢原子与氧原子都带有电荷。氢原子带δ+电荷(δ表示极微小的数值),而氧原子带δ-电荷。水分子内部的电荷是不平衡的。

       因此,某个水分子中的氢原子会与其附近(其他的)水分子的氧原子之间相互吸引,从而使正负电荷相互抵消。


       这样的一种结合方式叫作“氢键”。氢键可以让普通的水分子紧紧地结合在一起。

       普通的“冰”,就是水分子通过氢键结合在一起形成的结晶。从上方观察,水分子是呈六边形排列的。而雪花的结晶也是同样的构造,所以也是呈六边形。

       如下图所示,冰的内部构造中有很多的间隙。而其融化变成液体时,其中的一部分结晶构造会被破坏,一部分间隙中水分子会更加紧密地聚集。所以,水的密度才会大于冰的密度。


       温度上升时,冰内部的这些间隙中都有水分子来填充,所以密度也会变大。水分子受热后的运动变得非常激烈,分子运动的空间也变大,所以体积会膨胀,也就是说密度会变小。二者在4℃时达到平衡状态,密度达到最大值。超过4℃以后,密度又开始逐渐减小。


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