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       “冰浮于水上”是非常不可思議的！

       水是由含氫元素與氧元素的水分子構(gòu)成的。氫元素是宇宙中最多的元素，而氧元素又是地殼中最多的元素，可以說，水是天地間最為平凡和常見的物質(zhì)。

       正因為如此，可能很多人并不會覺得“固態(tài)的冰能夠漂浮在液態(tài)的水之上”是一件多么不可思議的事情吧！

       但是，“冰浮于水上”這個現(xiàn)象，對于“水”這種物質(zhì)來說，的確是一種“異常”的狀態(tài)。這在自然界成千上萬種的物質(zhì)中，都是一個非常罕見的例子呢！

       一般來說，同一種物質(zhì)其固體狀態(tài)時的密度，總是要大于液體狀態(tài)時的。從微觀的角度來看，物質(zhì)是由分子構(gòu)成的，而固體的分子則聚集得更加緊密。

       無論何種狀態(tài)下，分子與分子之間都是相互吸引的。固態(tài)時，分子與分子之間的距離很近，引力也較強(qiáng)，分子只能局限在自己的位置上，移動不得。液態(tài)時，分子與分子之間的距離被拉得很開，相互間的引力也比固體時要弱，分子可以到處移動。

       基于這個原因，液體才可以根據(jù)放入其中的物體而改變自身的形狀。與固體相比，液體內(nèi)部每一個分子移動的空間都要大很多，可以實現(xiàn)自由地移動。

       總之，固體分子彼此緊挨在一起，液體分子則“寬松”許多。

       因此，普通的物質(zhì)其固體時的密度都是較大的，當(dāng)其投入到液體中時就會下沉。

       但是水卻不同，其固體狀態(tài)時的“冰”，是會漂浮于液體狀態(tài)時的“水”上的。冰的密度，在0℃時為0．9168克／立方厘米。冰融化成水后，其體積會減少10％，0℃時的密度為0．9998克／立方厘米。當(dāng)溫度上升時，水的密度也會增大，3．98℃時達(dá)到最大值的0．99973克／立方厘米。

       之后溫度再上升，水的密度又會開始減小，達(dá)到沸點(diǎn)的100℃時，其密度為0．9584克／立方厘米，這個值與冰相比還要大5％。

       類似水這樣“固體密度＜液體密度”的物質(zhì)，還有鍺、鉍、硅等。在寒冷的冬夜，有水管被凍裂的情況，就是因為水變成冰后其體積增大了。

       多虧了水的這種“異常”表現(xiàn)，才使得生活在水中的生物可以安全地度過冬天。池塘或湖泊表面的水，在外部氣溫降至4℃時密度會增大，然后沉下去。

       這樣一來，達(dá)到最大密度的4℃的水沉到了底部，而水面附近接近0℃的水會上升。隨著氣溫的繼續(xù)下降，其在水面附近結(jié)上了冰。

       冰的密度比水要小，所以會一直漂浮在水面上。而這個結(jié)凍的冰層，又在一定程度上起到了隔溫層的作用，可以讓湖底的水在冰冷刺骨的寒夜也不會被凍上。

       假如，水也像其他物質(zhì)一樣，溫度下降后體積也縮小，那就悲劇了。冰冷的液體停留在湖底，湖水將從下往上被凍結(jié)。如果再沒有隔溫層的話，最終整個湖泊都會被凍上。

       這樣一來，水中的生物也就都無法生存了。

       水分子的形狀如上圖所示。水分子看起來近似一個直徑僅為3埃米（Å，1Å＝10（-10次方）m）的球形。

       構(gòu)成水分子的氫原子與氧原子都帶有電荷。氫原子帶δ+電荷（δ表示極微小的數(shù)值），而氧原子帶δ-電荷。水分子內(nèi)部的電荷是不平衡的。

       因此，某個水分子中的氫原子會與其附近（其他的）水分子的氧原子之間相互吸引，從而使正負(fù)電荷相互抵消。

       這樣的一種結(jié)合方式叫作“氫鍵”。氫鍵可以讓普通的水分子緊緊地結(jié)合在一起。

       普通的“冰”，就是水分子通過氫鍵結(jié)合在一起形成的結(jié)晶。從上方觀察，水分子是呈六邊形排列的。而雪花的結(jié)晶也是同樣的構(gòu)造，所以也是呈六邊形。

       如下圖所示，冰的內(nèi)部構(gòu)造中有很多的間隙。而其融化變成液體時，其中的一部分結(jié)晶構(gòu)造會被破壞，一部分間隙中水分子會更加緊密地聚集。所以，水的密度才會大于冰的密度。

       溫度上升時，冰內(nèi)部的這些間隙中都有水分子來填充，所以密度也會變大。水分子受熱后的運(yùn)動變得非常激烈，分子運(yùn)動的空間也變大，所以體積會膨脹，也就是說密度會變小。二者在4℃時達(dá)到平衡狀態(tài)，密度達(dá)到最大值。超過4℃以后，密度又開始逐漸減小。