为什么冰的密度比水小？

冰比水轻

--（原载1951年12月《开明少年》）

　　冰比水轻，大家井不觉得奇怪，其实是一件非常奇怪的事。
　　咱们把一团猪油放在锅子里，等它熔化了，再加进一团去。这团凝固的猪油，一定沉到熔化的猪油
下面，决不会浮在面上。
　　在锅子里熔锡也一个样。锡块总是沉在融锡下面。差不多所有的物质都一个样，在固态的时候，密
度都比在液态的时候大。
　　冰的密度反而比水小，所以能浮在水面上。在自然界中，这种情形是很少见的。
　　为什么冰的密度反而比水小呢？原因只有一个，就是水在结冰的时候，体积增大了，违背了“热胀冷
缩”的常规。
　　水在结冰的时候体积会膨胀，这倒是大家都知道的常识。冬天到来之前，我们把放在露天的水缸齐
口埋在地面下，盖上稻草编成的缸盖，就为的提防水结了冰会把水缸胀破。

　　有人做过这样的试验：冬天，他在两个炸弹的钢壳里灌满了水，用木塞塞紧了，放在露天过了一夜
。第二天早上去看，一个炸弹壳的木塞给冰冲到了六七米以外，口子里长出一条冰柱；另一个炸弹壳裂
了一道缝，冰从裂缝里挤了出来。

　　到了冬天，放在露天的瓦缸都应该倒扣过来，免得积了水会冻裂。露天的自来水管得用稻草包扎起
来，结了冰放不出水来还是小事，冻裂了损失可大了。不能耐寒的花树果树和幼小的苗木，也得用稻草
包扎。树木的细胞里含的水要是结了冰，会把细胞膜胀破，植物的组织就给破坏了。

　　到了冬天，砖墙外层涂的水泥往往会整块整块往下掉；水泥铺的场地路面往往会裂缝，甚至拱了起
来；都是冰在作怪。水泥只要稍稍有点儿裂缝，雨水就会渗进去；要是一结冰，体积一膨胀，就把水泥
给破坏了。

　　岩石崩裂也是这个道理。岩石的裂缝里积了水，冬天一结冰，体积一膨胀，就把裂缝撑大一点儿；
第二年，裂缝里积的水更多了，结了冰，裂缝就撑得更大了。这样年复一年，大块的岩石就从山上崩下
山来了。

　　如果水结冰的时候体积不膨胀，对于我们来说，不就减少了许多麻烦和损失吗？初初想来，这话似
乎很有道理，可是再一想，水结冰的时候体积如果收缩，冰的密度不就比水大了吗？不就要沉到水底下
去了吗？水面上没有冰，固然可以不妨碍航行，可是水一结冰就沉底，上层的水受了冷不是又要结冰吗
？水底的冰越积越多，最后所有的江河湖海，都非连底冻结不可了，而且永远不会融化。太阳的热是达
不到海洋的底层的，海洋里的植物动物当然都无法生存。我们知道，陆地上的植物动物最初都是从海边
爬上岸来的。海洋连底冻结成冰，陆地上会不会有生物也成了问题。这样一比较，你一定会作出正确的
判断来了。

　　冰不但密度比水小，还不容易传热。水面上结了冰，能保护下层的水，使下层的水冻结得稍稍慢一
点儿。即使较小的池塘河沟，到了冬天连底冻结还是很少见的。连北冰洋的厚厚的冰块下面，海水还照
常流动，鱼还在自由自在地游泳。
　　水在结冰的时候体积要膨胀，如果硬不让它膨胀，温度即使降到0℃以下，水仍旧结不成冰。换句话
说，水受了压力，凝固点就会降低。有人把水放在坚固的钢筒里做过实验，证明了这个设想。

　　咱们没有钢筒，也可以证明水受到了压力会降低凝固点。在冬天，我们找一大块冰来，把它搁在两
张桌子之间。拿一条铁丝弯成个环，拦腰套在冰块上。铁丝环下面挂个沉甸甸的秤锤。我们会看到铁丝
会慢慢地往下扣进冰块。可是铁丝k面的冰仍旧结得好好的，没有被铁丝扣过的痕迹。这是怎么回事呢？
原来铁丝环下面挂着个秤锤，它扣在冰块上的压力是很大的，受压的一部分冰就化成水了。铁丝再往下
扣，它上面的水失去了压力，立刻又结成了冰。

　　溜冰就利用了这个原理。冰鞋底上有一双冰刀，我们全身的重量，都在这双薄薄的冰刀上。冰刀加
在冰上的压力是很大的，使冰化成了水。冰刀和冰之间有了这一薄层水，像加了润滑剂似的，就可以顺
利地向前滑行了。玻璃比冰更滑溜，可是没有人能穿了冰鞋在玻璃上溜的，就因为玻璃受了压力不会融
化。

水在4 ℃时密度最大，冰的密度反而比水小（附图）

由于水分子有很强的极性，能通过氢键结合成缔合分子，如以下的结构式（虚线表示氢键）。

液态水，除含有简单的水分子（H2O）外，同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等，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 ℃（101 kPa）时，水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在，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），如下图所示。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。

水分子间以氢键连接

另外，拆散缔合分子需要消耗一定的能量，这也足以说明为什么水有较大的比热容的缘故。

水分子间存在较强的氢键。水分子间通过氢键缔合成较大的水分子团
在液态水中，水分子通过缔合成的分子团比较小，通常是（H2O)2，（H2O)3，且都是平面结构，空间利用率很高，所以分子间的间隙也较小，排列的较紧密，使得总体积较小。
但当水结成冰时，水分子由于之间的氢键，内部是以一个水分子为中心，四个水分子将其抱住，呈现正四面体的空间结构，即缔合成的水分子团是（H2O）5，由于正四面体是一个立体结构，形如网状结构，内部有较大的空间没有被水分子占据，空间利用率很低，所以冰中的水分子间的间隙较大，排列的较松散，使得总体积较液态水大。
冰变成水是等质量变换，冰的体积大于液态水，所以冰的密度比水小。
那为什么水在4℃时的密度最大呢？
那是因为随着温度升高，由于受热，使分子的运动加剧，分子间的间隙会增大。就是说一方面水降温，缔合形成正四面体空间结构的水分子团增多，使得分子间间隙增大，另一方面降温，又会使水分子的运动减弱，分子间的间隙会减小。概括为降温，水分子缔合度高，分子间距大，但水分子运动减弱，分子间距小。
水分子间的缔合度和水分子的运动强弱两个因素决定了水分子的间距。
当温度为4℃时，达到平衡，就是说这两种效应使得水分子的间距最小。
一般说来，固态变成液态再变成气态都是体积逐渐增大的（因为只有分子的热运动一个因素），水之所以出现反常，正是因为内部氢键的作用。

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），如下图所示。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。

这个关于水的反常膨胀的提问，不知有多少次了，现在还有没有结束的同样问题，自己看看好不好。

因为同质量的冰体积比水大，密度当然比水小。