科学百科第88期丨水冻结时为什么会膨胀？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。

作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。

其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。

作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第八十八个问题：

水冻结时为什么会膨胀？

我们可以先问一问：固体为什么会是固体？液体为什么会是液体？

一种物质的各分子之间存在着一定的吸引力，这个吸引力能够把这些分子牢固地保持在某一固定位置上。人们很难把这些分子拉开，这种物质就是固体。

然而分子含有动能，它们会在它们的固定位置附近振动。当温度上升时，这些分子获得越来越多的能量，振动得更加猛烈；最后，它们获得非常多的能量，以致别的分子的引力再也不能抓住它们了。它们摆脱了控制，并且自行跑开，在其他分子周围滑来滑去。于是固体熔化了，它就变成了液体。

大多数固体是结晶状的。那就是说，各分子不仅依然固定在它们的位置上，而且是固定在规则的位置上，排成行列。当分子获得足够的能量而跑开时，这种规则性就被打破，固体就熔化了。

通常结晶状固体中各分子的规则配置是一种紧密的配置。各分子塞满在一起，它们中间几乎没有空隙。不过，一旦这个物质熔化了，彼此之间来回滑动的分子就互相拥挤和推撞。这种推撞的总效应就是迫使所有的分子分开得再远一点。这时物质就膨胀，它的密度就减小。于是，一般说来，液体的密度比固体低。

换一个方式来说，固体熔化时就膨胀，而液体冻结时就收缩。

不过，问题有很大一部分取决于分子在固体中是怎样配置的。例如，在冰中，水分子排列成一种异常松的形式。水分子排成三维的图样，这种图样实际上留下了一些“空穴”。

当温度上升时，分子打破了松散的排列，开始独立地运动，进行通常的拥挤和推撞。这种运动会使各分子分开，此外也把它们推到空穴中去。由于填满了空穴，液态水占有的空间比固态冰少，而不管分子如何拥挤。当 1立方米的冰融化时，仅形成0.9立方米的水。

由于冰的密度没有水大，所以它漂浮在水上。1 立方米的冰会在水中下沉，直至0.9立方米的冰沉至水面以下为止。这个冰块排开的0.9立方米的液态水的重量跟1立方米冰的重量一样。现在冰被水浮起来了，剩下0.1立方米的冰留在水面以上。对冰来说一般都是这样。任何一块冰将浮在水面上，它大约有十分之一在水面以上，十分之九在水面以下。

一般来说，这对于生命是非常幸运的。由于事情就是如此，所以水形成的冰停留在一片水体的顶部，它把较低的深层隔开，使得从下面逸出的热量有所减少。结果，较深的水通常不冻结，甚至在非常冷的天气条件下也不冻结。同样，漂浮的冰在较暖的气候里接受太阳的全部影响，并且很快融化。

如果冰的密度大于水，那么，当它形成时，它就会沉到水底，结果就有更多的水会冻结。此外，处在水体底部的冰就没有机会吸收太阳的温暖而融化。如果冰的密度大于水，那么，我们地球上的水源就会几乎都是冻结的，即使地球离开太阳并不比现在更远。