水和冰密度的問題
冰比水輕--（原載1951年12月《開明少年》）冰比水輕，你們井不感覺奇怪，雖然是一件十分奇怪的事。俺們把一團麻油置于大鍋里，等它融化了，再加進一團去。這團融化的麻油，一定沉到融化的麻油下邊，決不會浮在面上。在大鍋里熔錫也一個樣。錫塊總是沉在融錫下邊。差不多所有的物質(zhì)都一個樣，在固態(tài)的時侯，密度都比在液態(tài)的時侯大。冰的密度反倒比水小，所以能浮在海面上。在自然界中，這些情形是極少見的。為何冰的密度反倒比水小呢？緣由只有一個，就是水在結(jié)冰的時侯，容積減小了，違反了“熱脹冷縮”的常規(guī)。水在結(jié)冰的時侯容積會膨脹，這倒是你們都曉得的常識。冬天到來...全部
冰比水輕--（原載1951年12月《開明少年》）冰比水輕，你們井不認為奇怪，雖然是一件十分奇怪的事。俺們把一團麻油置于大鍋里，等它融化了，再加進一團去。這團融化的麻油，一定沉到融化的麻油下邊，決不會浮在面上。
在大鍋里熔錫也一個樣。錫塊總是沉在融錫下邊。差不多所有的物質(zhì)都一個樣，在固態(tài)的時侯，密度都比在液態(tài)的時侯大。冰的密度反倒比水小，所以能浮在海面上。在自然界中，這些情形是極少見的。
為何冰的密度反倒比水小呢？緣由只有一個，就是水在結(jié)冰的時侯，容積減小了，違反了“熱脹冷縮”的常規(guī)。水在結(jié)冰的時侯容積會膨脹，這倒是你們都曉得的常識。冬天到來之前，我們把放到露天的盆子齊口埋在地面下，蓋上稻草編成的發(fā)動機，就為的防備水結(jié)了冰會把木盆脹破。
有人做過這樣的試驗：冬天，他在兩個炸彈的鋼殼里灌滿了水，用塞子旋緊了，置于露天過了一夜。第二天早晨去看，一個炸彈殼的瓶塞給冰沖到了六七米以外，口子里長出一條冰層；另一個炸彈殼裂了一道縫，冰從裂紋里擠了下來。
到了冬天，置于露天的瓦罐都應(yīng)當?shù)箍圻^來，免得積了水會開裂。露天的自來水管得用稻草包扎起來，結(jié)了冰放不出水來還是小事，開裂了損失可大了。不本事寒的花樹桃樹和幼小的樹苗水的密度和冰的密度，也得用稻草包扎。
行道樹的細胞里含的水要是結(jié)了冰，會把細胞膜脹破，動物的組織就給破壞了。到了冬天，山墻內(nèi)層涂的水泥常常會整塊整塊往下掉；水泥鋪的場地橋面常常會開裂，甚至拱了起來；都是冰在作祟。水泥只要稍微有點兒開裂，雨水還會滲進去；要是一結(jié)冰水的密度和冰的密度，容積一膨脹，就把水泥給破壞了。
巖石碎裂也是這個道理。巖石的裂紋里積了水，冬天一結(jié)冰，容積一膨脹，就把裂紋撐大一點兒；第二年，開裂里積的水更多了，結(jié)了冰，裂紋就撐得更大了。這樣年復(fù)一年，大塊的巖石就從山上崩下山來了。
假如水結(jié)冰的時侯容積不膨脹，對于我們來說，不就降低了許多麻煩和損失嗎？初初想來，這話似乎很有道理，但是再一想，水結(jié)冰的時侯容積假如收縮，冰的密度不就比水大了嗎？不就要沉到水下邊去了嗎？海面上沒有冰，縱然可以不阻礙航行，但是水一結(jié)冰就沉底，下層的水受了冷不是又要結(jié)冰嗎？水中的冰越積越多，最后所有的江河湖海，都非連底凍結(jié)不可了，但是永遠不會熔化。
太陽的熱是達不到海洋的底層的，海洋里的動物植物其實都難以生存。我們曉得，陸地上的動物植物最初都是從海灘爬上岸來的。海洋連底凍結(jié)成冰，陸地上會不會有生物也成了問題。這樣一比較，你一定會做出正確的判定來了。
冰不但密度比水小，還不容易傳質(zhì)。海面上結(jié)了冰，能保護上層的水，使上層的水凍結(jié)得稍微慢一點兒。雖然較小的水塘水塘，到了冬天連底凍結(jié)還是極少見的。連北冰洋的厚厚的冰塊下邊，海水還照常流動，魚還在自由自在地游泳。
水在結(jié)冰的時侯容積要膨脹，假如硬不讓它膨脹，氣溫雖然降到0℃以下，水始終結(jié)不成冰。換句話說，水受了壓力，融化點都會增加。有人把水放到結(jié)實的鋼筒里做過實驗，證明了這個構(gòu)想。俺們沒有鋼筒，也可以證明水遭到了壓力會增加融化點。
在冬天，我們找一大塊冰來，把它擱在兩張椅子之間。拿一條鐵絲彎成個環(huán)，攔腰套在冰塊上。鐵絲環(huán)下邊掛個沉甸甸的秤錘。我們會聽到鐵絲會漸漸地往下扣進冰塊。而且鐵絲k面的冰仍然結(jié)得好好的，沒有被鐵絲扣過的痕跡。
這是如何回事呢？原先鐵絲環(huán)下邊掛著個秤錘，它扣在冰塊上的壓力是很大的，受壓的一部份冰就化成水了。鐵絲再往下扣，它里面的水喪失了壓力，立即又締結(jié)了冰。輪滑就借助了這個原理。冰鞋跟上有一雙冰刀，我們四肢的重量，都在這雙薄薄的冰刀上。
冰刀加在冰上的壓力是很大的，使冰化成了水。冰刀和冰之間有了這一薄層水，像加了潤滑劑似的，就可以順利地往前滑行了。玻璃比冰更光溜，但是沒有人能穿了冰鞋在玻璃上溜的，就由于玻璃受了壓力不會融化。
水在4℃時密度最大，冰的密度反倒比水小（附圖）因為水份子有很強的極性，能通過構(gòu)象結(jié)合成締合分子，如以下的結(jié)構(gòu)式（實線表示官能團）。液態(tài)水，除富含簡單的水份子（H2O）外，同時還富含締合分子(H2O)2和(H2O)3等，當氣溫在0℃水未結(jié)冰時，大多數(shù)水份子是以(H2O)3的締合分子存在，當氣溫下降到3。
98℃（101kPa）時，水份子多以(H2O)2締合分子方式存在，分子搶占空間相對減少，此時水的密度最大。假如水溫再繼續(xù)下降在3。98℃以上，通常物質(zhì)熱脹冷縮的規(guī)律即占主導(dǎo)地位了。溫度降到0℃時，水締結(jié)冰，水結(jié)冰時幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子為近鄰（兩個共價鍵，兩個官能團），如右圖所示。
這樣一種排布造成成一種敞開結(jié)構(gòu)，也就是說冰的結(jié)構(gòu)中有較大的縫隙，所以冰的密度正比同水溫的水小。水份子間以官能團聯(lián)接另外，拆散締合分子須要消耗一定的能量，這也足以說明為何水有較大的比熱容的緣故。