○“冰山一角”

这张流传甚广的图片很多人都见过，漂浮在海面上的冰山，露出水面的只是一小部分，绝大部分藏在水下。

原因其实很简单：冰的密度比水小一点点，大约是水的0.9倍，根据阿基米德浮力定律，冰会漂浮在水面上，90%的体积在水下，10%的体积露出水面。

可是，你有没有想过：

冰浮在水面上

这正常吗

在我们的生活经验中，“热胀冷缩”是一个普遍成立的规律。就算发生了物态变化，也依然成立。一般情况下，物质有三态：

固、液、气

物质的形态取决于组成它的分子聚集在一起的形态。分子之所以会聚集在一起，是因为它们之间有相互吸引的力（注意！不是万有引力，而是一种电磁力！）。

而所谓的“热”，实际上是分子的无规则运动，分子运动得越剧烈，就越容易摆脱分子间吸引力的束缚，变得更稀疏。热胀冷缩缘于此，物态变化也缘于此，只是二者一个是量变，一个是质变。

○物质的三态

组成固态物质的分子十分乖巧，它们手拉着手，紧密而整齐地排列着。每个分子有固定的位置，只能在自己的位置附近作小范围的振动。

把固体物质加热到它的熔点，分子的振动变得非常剧烈。如果继续加热，大部分分子都会松手，队形变得散漫，分子可以相对自由地移动。但分子间的吸引力仍起作用，它们仍然聚在一起。这就是液态。

当液体的温度达到沸点，如果继续加热，分子们就会彻底摆脱分子间吸引力的束缚，彼此远离，各自乱飞，这就是气态。

一般的物质从固态变为液态，体积会增大一点点；从液态变成气态，体积会增大1000倍左右。相应地，密度就是：固>液>气。

或者说，热胀冷缩在物态变化时依然成立。

所以

一般情况下

同种物质固液共存时

固体会沉没在液体底部

冰就是固态的水，但密度却比液态水小，漂浮在水面上。

世上的物质千千万，水却偏偏是个“热缩冷胀”的奇葩。

但是再回过头来想想：

正常的物质固液共存，

没见过就对了。

正是因为地球上充满了水这种不正常的物质，生命才得以生存。

水的反常膨胀

是为什么

前面说过，物质处于固态的时候，分子手拉着手，排列紧密……

但是水分子有个特点：

所以，对于水分子来说，手拉手排好队反而是比较稀疏的阵型，散漫地堆成一团才更紧密。就像这样：

○冰和水的分子聚集形态示意图。

水的分子式是

水分子由2个氢 (H) 原子和1个氧 (O) 原子组成，形状类似于一个米老鼠的头。

水分子之间有一种特殊的结合方式，也就是那有点长的手，叫做：

氢键

水分子中的氢原子和相邻水分子的氧原子之间可以形成氢键。想象一个水分子的2个氢原子各“发出”1根氢键，它的氧原子又能“接受”2根氢键，所以每个水分子最多可以通过氢键与周围4个水分子结合。

○水分子之间的氢键

与一般的分子间作用力不同的是，氢键有确定的长度和角度，它将水分子结合在一起的同时也限制了水分子相互靠近。

固态水内部所有的水分子都用上了全部4根氢键，组成低密度的四面体结构。而液态水中的水分子通常都只有1个或2个氢键，组成高密度的无序结构。这就解释了为什么冰的密度比水小。

○水的低密度四面体结构，和高密度无序结构

实际上水的反常膨胀不仅仅发生在结冰的时候。水在4℃时密度最大，低于4℃的水就有“热缩冷胀”的性质。

有科学家认为，液态水中可能也存在以上两种结构的水分子集团，它们在不停地相互转化，达到平衡。而降温会增加水中的氢键，从而增加低密度四面体结构的占比，造成液态水的反常膨胀。

但是，水在0℃就要结冰了。0℃~4℃这个温度范围太小，很难将液态水的反常膨胀性质研究透。所以，需要借助液体普遍具有的“过冷现象”，将水的温度降到0℃以下。

有实验现象表明，过冷水持续降温时，也会持续地反常膨胀，同时也出现越来越大的密度起伏。正常的物质应该是温度越低，密度起伏越小才对。

所以这可能说明过冷的液态水中确实存在2种不同结构的水分子集团，或者说两种不同的物态：像水的高密度水、和像冰的低密度水。

而如果不停地降低温度，或许最终会使得这两种水彻底分开。

但是这个过程很难实现，因为温度很低的时候，水实在太容易结冰……

2018年3月，荷兰阿姆斯特丹大学的桑德·沃特森（Sander Woutersen）用一种结构与水类似的防冻剂阻止水结冰，同时保持水的其他性质不变。

他们将混合溶液的温度降至-100℃以下，在冷却的过程中，混合溶液的密度发生了突变。于是他们认为这证明了液态水存在两种不同的状态。

也就是说

水不是一种液体

而是两种

这项工作也得到了同行的认可，但是，溶液毕竟不是纯水，真正的纯水到底是否有两种不同的状态，还有待进一步的研究。

氢键造就了水分子组合在一起的两种不同结构。它们区分了冰和水，也可能在液态水中共存。从而成就了水的奇葩性质——反常膨胀。

• 结冰时膨胀

• 在4℃以下，降温时膨胀

氢键让水千变万化，成为物质世界最特殊的存在。但也正因为只有最特殊的水才能孕育生命，我们对奇妙的水早已见怪不怪。

没有固定形状的液态水尚且有2种不同的微观结构，那么冰又有多少种结构呢？

○各式各样的雪花

世上没有两片相同的雪花，但所有雪花的微观结构都是相同的。它们的水分子都组成六边形的“晶格”，这决定了它们的宏观形状都是六边形。而所有雪花，以及自然界的绝大多数冰，都是简简单单的同一种冰。

○自然界最常见的冰的晶体结构

不过，科学家们在实验室里，通过改变温度、压强等等的一系列骚操作，发现了至少18种冰！

○另外两种不同的冰，你发现它们与普通冰的差别了吗？

据说没人知道还有多少种冰在等着被发现，你呢？

来源：费米科学

编辑：小烩饼