水還會冷脹熱縮？解開“冰凍三尺”的科學真相

“冰凍三尺，非一日之寒”說的是水結成三尺厚的冰（泛指比較厚的冰），不是由于一天的寒冷所致。這句成語比喻某一事態的形成，非一朝一夕之故，而是經過長期醞釀的結果。這還要從水變成冰的物理特性說起。

冷脹熱縮的水

世界上絕大多數的物體都是熱脹冷縮的。溫度升高，體積膨脹；溫度降低，體積縮小。但是水的脾氣很怪，它在一定范圍內不受這個規律的約束。固態的冰和4°C以上的液態水，遵從一般規律，是熱脹冷縮的。而水在4～0°C時，就一反常態，不是熱脹冷縮了，而是冷脹熱縮了。所以水在4°C時，密度最大。

大多數液體凝固時體積都要縮小，也就是說物體的密度增大，這是物質由液態變成固態時的一般規律。但是水卻恰恰相反，當0°C的水變成0°C冰時，它的體積卻脹大了約1/10，所以冰能浮在水上面。

冰的“鏤空”結構

物質密度由物質內分子間距決定。分子間距越大，物質密度越小；分子間距越小，物質密度越大。經研究發現，在水和冰的結構中，存在著一種非常特殊的化學鍵———氫鍵，這是一般晶體所沒有的。在冰中的每個H?O分子都通過氫鍵與周圍四個H?O分子結合在一起，邊緣的H?O分子同樣與其他H?O分子結合形成立體結構。這種多分子組成的立體結構是四面體結構，所占空間較大，分子間不是密排而是鏤空結構。

冬天，氣候寒冷，水的表面直接與冷空氣接觸，很快就變冷了，溫度降到4°C的時候，體積最小，比重最大，就會沉到下面。下面溫度比較高的水比重小，就會浮上來。經過不斷的交換，使所有水的溫度都降到4°C。北風吹來，水的溫度繼續下降，表面的水冷到4°C以下，水就開始冷脹熱縮，比重反而比下面的水小。于是就形成3°C的水浮在4°C的水上面，2°C的水浮在3°C的水上面，1°C的水浮在2°C水上面，0°C的水在最上面。氣溫降到0°C以下，表面0°C的水就開始結冰。

水結了冰，冰層厚度會逐漸增加，但增加的速度是十分緩慢的。因為冰下面的水都已經降到4°C不會發生對流，而且冰是熱的不良導體，下層的水在冰的保護下，仿佛蓋了一床棉被，不易受寒而凍結成冰。如果水很深，冰可以結的相當厚，但這需要一定的時間。成語“冰凍三尺，非一日之寒”，就是對水結冰這一緩慢過程現象的高度概括。

冰凍三尺慢過程

水結冰這一過程告訴我們自然界的一些現象往往都有一個醞釀和積累的過程，不會一蹴而就，我們認識事務也要遵循這個規律。

“冰凍三尺，非一日之寒”只是水結冰時所表現的一個現象，但這個現象卻有很大的作用，假如水很深，冰可以結得很厚，但水底的溫度仍然保持4°C。因此，在朔風凜冽的嚴冬，水中生物仍然能生存下去。這也是大自然的巧妙安排，它有效地保護了寒冷地帶的水中生物安全過冬。

但是，水凍成冰體積膨脹這個特性，有時也會帶來災難。當植物遭到凍害，常常是因為細胞液里的水分結冰膨脹，把細胞壁脹裂，造成植物死亡。

大自然的內在規律產生了五光十色的世界，我們認識世界及思維方式也需要與之相適應，我們必須透過現象去看到事物的本質，這樣才能更好地認識大自然。成語“冰凍三尺，非一日之寒”正是來源于此。這樣的語言真實地反映了自然的規律，也使得我們的語言更加深刻、更加精煉。

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