“冰浮于水上”是非常不可思议的！

       水是由含氢元素与氧元素的水分子构成的。氢元素是宇宙中最多的元素，而氧元素又是地壳中最多的元素，可以说，水是天地间最为平凡和常见的物质。

       正因为如此，可能很多人并不会觉得“固态的冰能够漂浮在液态的水之上”是一件多么不可思议的事情吧！

       但是，“冰浮于水上”这个现象，对于“水”这种物质来说，的确是一种“异常”的状态。这在自然界成千上万种的物质中，都是一个非常罕见的例子呢！

       一般来说，同一种物质其固体状态时的密度，总是要大于液体状态时的。从微观的角度来看，物质是由分子构成的，而固体的分子则聚集得更加紧密。

       无论何种状态下，分子与分子之间都是相互吸引的。固态时，分子与分子之间的距离很近，引力也较强，分子只能局限在自己的位置上，移动不得。液态时，分子与分子之间的距离被拉得很开，相互间的引力也比固体时要弱，分子可以到处移动。

       基于这个原因，液体才可以根据放入其中的物体而改变自身的形状。与固体相比，液体内部每一个分子移动的空间都要大很多，可以实现自由地移动。

       总之，固体分子彼此紧挨在一起，液体分子则“宽松”许多。

       因此，普通的物质其固体时的密度都是较大的，当其投入到液体中时就会下沉。

       但是水却不同，其固体状态时的“冰”，是会漂浮于液体状态时的“水”上的。冰的密度，在0℃时为0．9168克／立方厘米。冰融化成水后，其体积会减少10％，0℃时的密度为0．9998克／立方厘米。当温度上升时，水的密度也会增大，3．98℃时达到最大值的0．99973克／立方厘米。

       之后温度再上升，水的密度又会开始减小，达到沸点的100℃时，其密度为0．9584克／立方厘米，这个值与冰相比还要大5％。

       类似水这样“固体密度＜液体密度”的物质，还有锗、铋、硅等。在寒冷的冬夜，有水管被冻裂的情况，就是因为水变成冰后其体积增大了。

       多亏了水的这种“异常”表现，才使得生活在水中的生物可以安全地度过冬天。池塘或湖泊表面的水，在外部气温降至4℃时密度会增大，然后沉下去。

       这样一来，达到最大密度的4℃的水沉到了底部，而水面附近接近0℃的水会上升。随着气温的继续下降，其在水面附近结上了冰。

       冰的密度比水要小，所以会一直漂浮在水面上。而这个结冻的冰层，又在一定程度上起到了隔温层的作用，可以让湖底的水在冰冷刺骨的寒夜也不会被冻上。

       假如，水也像其他物质一样，温度下降后体积也缩小，那就悲剧了。冰冷的液体停留在湖底，湖水将从下往上被冻结。如果再没有隔温层的话，最终整个湖泊都会被冻上。

       这样一来，水中的生物也就都无法生存了。

       水分子的形状如上图所示。水分子看起来近似一个直径仅为3埃米（Å，1Å＝10（-10次方）m）的球形。

       构成水分子的氢原子与氧原子都带有电荷。氢原子带δ+电荷（δ表示极微小的数值），而氧原子带δ-电荷。水分子内部的电荷是不平衡的。

       因此，某个水分子中的氢原子会与其附近（其他的）水分子的氧原子之间相互吸引，从而使正负电荷相互抵消。

       这样的一种结合方式叫作“氢键”。氢键可以让普通的水分子紧紧地结合在一起。

       普通的“冰”，就是水分子通过氢键结合在一起形成的结晶。从上方观察，水分子是呈六边形排列的。而雪花的结晶也是同样的构造，所以也是呈六边形。

       如下图所示，冰的内部构造中有很多的间隙。而其融化变成液体时，其中的一部分结晶构造会被破坏，一部分间隙中水分子会更加紧密地聚集。所以，水的密度才会大于冰的密度。

       温度上升时，冰内部的这些间隙中都有水分子来填充，所以密度也会变大。水分子受热后的运动变得非常激烈，分子运动的空间也变大，所以体积会膨胀，也就是说密度会变小。二者在4℃时达到平衡状态，密度达到最大值。超过4℃以后，密度又开始逐渐减小。