冰为什么会浮在水面

冰为什么会浮在水面

“北国风光，千里冰封，万里雪飘”。这12个字，就把伟大祖国辽阔北疆雄伟壮观的冬季景色描绘得淋漓尽致。在数九寒冬的日子里，遍布北国的江河、湖泊，都被厚厚的坚冰所封冻。溜冰爱好者在冰上翩翩起舞，与冰下的水族一家的畅游相映成趣。面对这一令人陶醉的景色，这里提出一个似乎不成问题的问题：冰为什么会浮在水面上？你可能会不加思索地回答：“不是明摆着吗，冰比水轻吗！”如果再追问一句：“物质都是热涨冷缩，水遇冷结成了冰，体积怎么反而膨胀了呢？”看来要想准确回答这第二个问题，似乎就不那么容易了。

图6－2　冰中的共价键和氢键

构成物质的微粒在不停地做着热运动，温度愈高，微粒的热运动就愈剧烈，导致微粒间的平均距离就愈大，反之亦然，这就是物质热胀冷缩的根本原因。水分子构成水，特别是构成冰时，情况就有些与众不同：水分子由1个氧原子和2个氢原子构成，这2个氢原子除与水分子内的那个氧原子形成共价键外，还有“余力”与其他半径小的、非金属性强的原子形成“氢键”，而这个水分子和邻近的水分子中的氧原子之间正好满足这一条件。因此每个水分子中的氧原子，除与分子内的氢原子形成两条氧—氢共价键外，还能与相邻水分子中的氢原子形成两条氢键，这样就形成了四面体取向的两条共价键和两条氢键。冰中的氧原子与周围原子的成键及原子空间分布示于图6—2，图中实线表示共价键，虚线表示氢键。因此，当水结成冰时，冰分子间就通过氢键相结合形成了类似金刚石的立体架式结构，结果导致冰的空间结构中出现了很多空隙（见图6—3），使冰的密度反倒比水要小（0℃时冰的密度为0．9107克／厘米³，而水的密度为0．9998克／厘米³），这就是冰为什么会浮在水面的本质原因。冰的“反常”膨胀，真乃造物者的“巧妙安排”。设想一下，如果冰的密度比水大，那水结冰后就会沉到水底，水就会始终暴露在寒冷的大气之中，没有了冰这层“厚棉被”，就有可能使河流、湖泊中的水全部结冰，那水中的动植物怎么越冬！但万幸的是，冰来了个“反常”膨胀浮在水面，使冰下的水仍能保持0℃以上，这才使水中的鱼虾能够平安过冬，我们也才有了吃大个的鱼虾的口福。

图6－3　冰的结构

不仅结冰时水分子间有氢键，冰融化时仅仅是部分氢键遭破坏。因此，0℃以上，随着温度升高，影响液态水的密度因素有两个：一是水分子间的氢键继续被破坏，分子间空隙减小，导致密度加大；另一是分子间平均距离加大，导致密度减小。在0℃～4℃区间，前者是主要影响因素，即随温度升高，液态水的密度反而加大；4℃以上，后者成了主要影响因素，这时随温度升高，水的密度就减小了。因此，4℃时水的密度最大，此时水的密度为1．0000克／厘米3。