为什么冰的密度小于水的密度.doc

冰比水轻，大家井不觉得奇怪，其实是一件非常奇怪的事。 　　咱们把一团猪油放在锅子里，等它熔化了，再加进一团去。这团凝固的猪油，一定沉到熔化的猪油 下面，决不会浮在面上。 　　在锅子里熔锡也一个样。锡块总是沉在融锡下面。差不多所有的物质都一个样，在固态的时候，密度都比在液态的时候大。 　　冰的密度反而比水小，所以能浮在水面上。在自然界中，这种情形是很少见的。 　　为什么冰的密度反而比水小呢？原因只有一个，就是水在结冰的时候，体积增大了，违背了“热胀冷缩”的常规。 　　水在结冰的时候体积会膨胀，这倒是大家都知道的常识。　　有人做过这样的试验：冬天，他在两个炸弹的钢壳里灌满了水，用木塞塞紧了，放在露天过了一夜 。第二天早上去看，一个炸弹壳的木塞给冰冲到了六七米以外，口子里长出一条冰柱；另一个炸弹壳裂了一道缝，冰从裂缝里挤了出来。 到了冬天，放在露天的瓦缸都应该倒扣过来，免得积了水会冻裂。露天的自来水管得用稻草包扎起来，结了冰放不出水来还是小事，冻裂了损失可大了。不能耐寒的花树果树和幼小的苗木，也得用稻草 包扎。树木的细胞里含的水要是结了冰，会把细胞膜胀破，植物的组织就给破坏了。 　　到了冬天，砖墙外层涂的水泥往往会整块整块往下掉；水泥铺的场地路面往往会裂缝，甚至拱了起来；都是冰在作怪。水泥只要稍稍有点儿裂缝，雨水就会渗进去；要是一结冰，体积一膨胀，就把水泥 给破坏了。 　　岩石崩裂也是这个道理。岩石的裂缝里积了水，冬天一结冰，体积一膨胀，就把裂缝撑大一点儿；第二年，裂缝里积的水更多了，结了冰，裂缝就撑得更大了。这样年复一年，大块的岩石就从山上崩下 山来了。 　　如果水结冰的时候体积不膨胀，对于我们来说，不就减少了许多麻烦和损失吗？初初想来，这话似乎很有道理，可是再一想，水结冰的时候体积如果收缩，冰的密度不就比水大了吗？不就要沉到水底下 去了吗？水面上没有冰，固然可以不妨碍航行，可是水一结冰就沉底，上层的水受了冷不是又要结冰吗？水底的冰越积越多，最后所有的江河湖海，都非连底冻结不可了，而且永远不会融化。太阳的热是达 不到海洋的底层的，海洋里的植物动物当然都无法生存。我们知道，陆地上的植物动物最初都是从海边爬上岸来的。海洋连底冻结成冰，陆地上会不会有生物也成了问题。这样一比较，你一定会作出正确的 判断来了。冰不但密度比水小，还不容易传热。水面上结了冰，能保护下层的水，使下层的水冻结得稍稍慢一点儿。即使较小的池塘河沟，到了冬天连底冻结还是很少见的。连北冰洋的厚厚的冰块下面，海水还照 常流动，鱼还在自由自在地游泳。 　　水在结冰的时候体积要膨胀，如果硬不让它膨胀，温度即使降到0℃以下，水仍旧结不成冰。换句话说，水受了压力，凝固点就会降低。有人把水放在坚固的钢筒里做过实验，证明了这个设想。 　　咱们没有钢筒，也可以证明水受到了压力会降低凝固点。在冬天，我们找一大块冰来，把它搁在两张桌子之间。拿一条铁丝弯成个环，拦腰套在冰块上。铁丝环下面挂个沉甸甸的秤锤。我们会看到铁丝 会慢慢地往下扣进冰块。可是铁丝k面的冰仍旧结得好好的，没有被铁丝扣过的痕迹。这是怎么回事呢？原来铁丝环下面挂着个秤锤，它扣在冰块上的压力是很大的，受压的一部分冰就化成水了。铁丝再往下扣，它上面的水失去了压力，立刻又结成了冰。 　　溜冰就利用了这个原理。冰鞋底上有一双冰刀，我们全身的重量，都在这双薄薄的冰刀上。冰刀加在冰上的压力是很大的，使冰化成了水。冰刀和冰之间有了这一薄层水，像加了润滑剂似的，就可以顺 利地向前滑行了。玻璃比冰更滑溜，可是没有人能穿了冰鞋在玻璃上溜的，就因为玻璃受了压力不会融化。 水在4 ℃时密度最大，冰的密度反而比水小（附图） 由于水分子有很强的极性，能通过氢键结合成缔合分子，如以下的结构式（虚线表示氢键）。液态水，除含有简单的水分子（H2O）外，同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等，当温度在0℃水未结冰时，大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在，当温度升高到3.98 ℃（101 kPa）时，水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。如果温度再继续升高在3.98 ℃以上，一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0 ℃时，水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻（两个共价键，两个氢键），如下图所示。这样一种排布导致成一种敞开结构，也就是说冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。 另外，拆散缔合分子需要消耗一定的能量，这也足以说明为什么水有较大的比热容的缘故。