【冷知识】为什么冰会飘在水面上？

冰是固体，直观上，它应该比液体重，放在水上会下沉。因为大多数物质都是如此，但水是一个例外。它的氢键和固态实际上使它比液态时更轻。水在 4 摄氏度时的密度更高。此外，冰的重量约为水体积的 90%，因此，90% 的冰在水下，其余的在水上。

当化合物处于固态时，与该化合物处于液态时相比，单个分子更紧密地堆积在一起，因此固态比液态更致密。为什么水不是这种情况？

冰的密度低于水的原因与氢键有关。众所周知，水是由一个氧原子和两个氢原子组成的。它们通过非常牢固的共价键连接。然而，另一种类型的键也在不同的水分子之间形成，称为氢键，它更弱。这些键的形成是因为带正电的氢原子被附近水分子的带负电的氧原子吸引。当水变暖时，分子非常活跃，四处移动，并迅速形成和破坏与其他水分子的键。他们有能量推近彼此并快速移动。

当水开始结冰时，水分子形成有序的晶体结构。通常，当水是液态时，单个水分子可以相互移动，相反的电荷相互吸引。然而，当水结冰时，水分子的方向会导致相同的电荷相互排斥。这意味着水分子在结冰时会被推开，从而降低冰的总密度。由于分子被推开，结冰的水实际上会膨胀。当结冰的水膨胀时，它会产生向外推的力。这就是为什么容器和其他物体在水结冰时会破裂的原因。

如果冰不漂浮在水面上，地球上的生活将相当困难。例如，当水体在寒冷地区结冰时，只有表层结冰，而在冰层以下，水仍然以液态形式存在。这是因为冰漂浮在液态水上，通过形成厚厚的冰层，将下方的液态水隔绝。如果冰比液态水密度大，它就会沉到水底，整个水体就会从下往上完全结冰。这将使海洋生物无法在寒冷地区生存，我们的星球也难以维持稳定的生态系统。