青少年不可不知的科学发现（少年科学粉为什么说）

撰文/王恒

本文节选自《知识就是力量》杂志

生活里，我们常用“冰冻三尺，非一日之寒”比喻某一事态的形成，非一朝一夕之故，而是经过长期酝酿的结果。从表面上看，这句话的意思是水结成三尺厚的冰（泛指比较厚的冰），不是由于一天的寒冷所致。

那为什么要选择水结成一定厚度的冰，需要经过比较长的时日，来说明某一事态的形成需要长时间的酝酿过程呢？这一切还要从水变成冰的物理特性说起。

水在4°C密度最大

世界上绝大多数的物体都是热胀冷缩的。温度升高，体积膨胀；温度降低，体积缩小。但是水的脾气很怪，它在一定范围内不受这个规律的约束。固态的冰和4℃以上的液态水，遵从一般规律，是热胀冷缩的。而水在4～0℃时，就一反常态，不是热胀冷缩了，而是冷胀热缩了。所以水在4℃时，密度最大。

大多数液体凝固时体积都要缩小，也就是说物体的密度增大，这是物质由液态变成固态时的一般规律。但是水却恰恰相反，当0℃的水变成0℃冰时，它的体积却胀大了约1/10，所以冰能浮在水上面。

反常膨胀

物质密度由物质内分子间距决定。分子间距越大，物质密度越小；分子间距越小，物质密度越大。经研究发现，在水和冰的结构中，存在着一种非常特殊的化学键———氢键，这是一般晶体所没有的。在冰中的每个H₂O分子都通过氢键与周围四个H₂O分子结合在一起，边缘的H₂O分子同样与其他H₂O分子结合形成立体结构。这种多分子组成的立体结构是四面体结构，所占空间较大，分子间不是密排而是镂空结构。

在冰的结构中，H₂O分子有着规则的排列，形成空旷的镂空结构，原子间存在着较大的空隙。当0℃的冰晶继续被加热时，冰晶体中的部分原子的无规则热振动动能足以破坏氢键，使部分氢键断裂。原来的空旷结构逐渐瓦解成线度小的水分子集团，水分子集团间的距离明显变小。

0℃的冰融化为0℃水时，近15%的氢键被破坏，H₂O具有了流动性，固态转化为液态，由于水分子集团间的杂乱排列，且集团间距离明显减小，使得水的密度比冰要大，在0℃时，密度有一个突变而这时水中仍有大部分的氢键存在。

若继续加热0℃的水，随着温度的升高，靠氢键结合在一起的H₂O分子集团进一步瓦解，氢键进一步断裂，结合在一起的H₂O分子团减小，开始出现单个水分子。这时，它们可以任意排列和运动，单个水分子还可以嵌在镂空的分子结构之间。在水温升高的过程中，一方面由于氢键的断裂使水分子排列更紧密，密度增大；另一方面分子热运动加快，使分子间平均距离增大，密度减小。水的密度受这两方面因素的共同影响。

随着水温的不断上升，分子间距增大的较为缓慢；而氢键断裂使分子间距几乎均匀地减小，使得在水温从0℃升高到4℃的过程中，由氢键断裂引起水密度增大的作用，比分子热运动加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中水的密度随着温度的升高而增大，表现为反常膨胀。

水温超过4℃时，随着水温的升高，氢键继续断裂，水中多分子集团越来越少；但分子热振动幅度随温度升高不断加大，使分子间的平均距离增大加快，因此由氢键断裂引起的水密度增加的作用较受水分子热振动引起的水密度减小的作用小，因此在水温由4℃继续升高的过程中，水的密度随温度的升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。

这样，热振动使分子间距扩大和断裂氢键使集团间距缩小两种相反的竞争机制，使得水在0～4℃之间有着反常膨胀的特性。4℃时，两种相反的机制几乎达到平衡，水分子间距最小，水的密度最大。水的温度上升到4℃以上，热振动占据主导地位，水分子间的距离随着温度的升高而加大，水表现为热胀冷缩，水又回到正常的热膨胀特性。经过上面的讨论可知，水的热膨胀过程从微观上看是由于两种相反机制竞争的结果，主要是氢键的存在，导致了它的反常膨胀，也使水具有了吸热量高、比热容大、4℃的水密度最大这些特性。

冬天，气候寒冷，水的表面直接与冷空气接触，很快就变冷了，温度降到4℃的时候，体积最小，比重最大，就会沉到下面。下面温度比较高的水比重小，就会浮上来。经过不断的交换，使所有水的温度都降到4℃。北风吹来，水的温度继续下降，表面的水冷到4℃以下，水就开始冷胀热缩，比重反而比下面的水小。于是就形成3℃的水浮在4℃的水上面，2℃的水浮在3℃的水上面，1℃的水浮在2℃水上面，0℃的水在最上面。气温降到0℃以下，表面0℃的水就开始结冰。

水结了冰，冰层厚度会逐渐增加，但增加的速度是十分缓慢的。因为冰下面的水都已经降到4℃不会发生对流，而且冰是热的不良导体，下层的水在冰的保护下，仿佛盖了一床棉被，不易受寒而冻结成冰。如果水很深，冰可以结的相当厚，但这需要一定的时间。成语“冰冻三尺，非一日之寒”，就是对水结冰这一缓慢过程现象的高度概括。

水结冰这一过程告诉我们自然界的一些现象往往都有一个酝酿和积累的过程，不会一蹴而就，我们认识事物也要遵循这个规律。

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中学物理| 热胀冷缩；分子的运动

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