88、水凍結時為什麼會膨脹?

  我們可以先問一問:固體為什麼會是固體?液體為什麼會是液體?
  一種物質的各分子之間存在著一定的吸引力,這個吸引力能夠把這些分子牢固地保持在某一固定位置上。人們很難把這些分子拉開,這種物質就是固體。
  然而分子含有動能,它們會在它們的固定位置附近振動。
  當溫度上升時,這些分子獲得越來越多的能量,振動得更加猛烈;最後,它們獲得非常多的能量,以致別的分子的引力再也不能抓住它們了。它們擺脫了控制,並且自行跑開,在其他分子周圍滑來滑去。於是固體熔化了,它就變成了液體。
  大多數固體是結晶狀的。那就是說,各分子不僅依然固定在它們的位置上,而且是固定在規則的位置上,排成行列。
  當分子獲得足夠的能量而跑開時,這種規則性就被打破,固體就熔化了。
  通常結晶狀固體中各分子的規則配置是一種緊密的配置。各分子塞滿在一起,它們中間幾乎沒有空隙。不過,一旦這個物質熔化了,彼此之間來回滑動的分子就互相擁擠和推撞。這種推撞的總效應就是迫使所有的分子分開得再遠一點。這時物質就膨脹,它的密度就減小。於是,一般說來,液體的密度比固體低。
  1已經證明「聚水」是子虛烏有。——碧聲注
  換一個方式來說,固體熔化時就膨脹,而液體凍結時就收縮。
  不過,問題有很大一部分取決於分子在固體中是怎樣配置的。例如,在冰中,水分子排列成一種異常松的形式。水分子排成三維的圖樣,這種圖樣實際上留下了一些「空穴」。
  當溫度上升時,分子打破了鬆散的排列,開始獨立地運動,進行通常的擁擠和推撞。這種運動會使各分子分開,此外也把它們推到空穴中去。由於填滿了空穴,液態水佔有的空間比固態冰少,而不管分子如何擁擠。當1立方米的冰融化時,僅形成0.9立方米的水。
  由於冰的密度沒有水大,所以它漂浮在水上。1立方米的冰會在水中下沉,直至0.9立方米的冰沉至水面以下為止。
  這個冰塊排開的0.9立方米的液態水的重量跟1立方米冰的重量一樣。現在冰被水浮起來了,剩下0.1立方米的冰留在水面以上。對冰來說一般都是這樣。任何一塊冰將浮在水面上,它大約有十分之一在水面以上,十分之九在水面以下。
  一般來說,這對於生命是非常幸運的。由於事情就是如此,所以水形成的冰停留在一片水體的頂部,它把較低的深層隔開,使得從下面逸出的熱量有所減少。結果,較深的水通常不凍結,甚至在非常冷的天氣條件下也不凍結。同樣,漂浮的冰在較暖的氣候裡接受太陽的全部影響,並且很快融化。
  如果冰的密度大於水,那麼,當它形成時,它就會沉到水底,結果就有更多的水會凍結。此外,處在水體底部的冰就沒有機會吸收太陽的溫暖而融化。如果冰的密度大於水,那麼,我們地球上的水源就會幾乎都是凍結的,即使地球離開太陽並不比現在更遠。
《你知道嗎--現代科學中的100個問題》