撰文/王恒
本文节选自《知识就是力量》杂志
生活里，我们常用“冰冻三尺，非一日之寒”比喻某一事态的形成，非一朝一夕之故，而是经过长期酝酿的结果。从表面上看，这句话的意思是水结成三尺厚的冰（泛指比较厚的冰），不是由于一天的寒冷所致。
那为什么要选择水结成一定厚度的冰，需要经过比较长的时日，来说明某一事态的形成需要长时间的酝酿过程呢？这一切还要从水变成冰的物理特性说起。
水在4°C密度最大
世界上绝大多数的物体都是热胀冷缩的。温度升高，体积膨胀；温度降低，体积缩小。但是水的脾气很怪，它在一定范围内不受这个规律的约束。固态的冰和4℃以上的液态水，遵从一般规律，是热胀冷缩的。而水在4～0℃时，就一反常态，不是热胀冷缩了，而是冷胀热缩了。所以水在4℃时，密度最大。
大多数液体凝固时体积都要缩小，也就是说物体的密度增大，这是物质由液态变成固态时的一般规律。但是水却恰恰相反，当0℃的水变成0℃冰时，它的体积却胀大了约1/10，所以冰能浮在水上面。
反常膨胀
物质密度由物质内分子间距决定。分子间距越大，物质密度越小；分子间距越小，物质密度越大。经研究发现，在水和冰的结构中，存在着一种非常特殊的化学键———氢键，这是一般晶体所没有的。在冰中的每个H₂O分子都通过氢键与周围四个H₂O分子结合在一起，边缘的H₂O分子同样与其他H₂O分子结合形成立体结构。这种多分子组成的立体结构是四面体结构，所占空间较大，分子间不是密排而是镂空结构。
在冰的结构中，H₂O分子有着规则的排列，形成空旷的镂空结构，原子间存在着较大的空隙。当0℃的冰晶继续被加热时，冰晶体中的部分原子的无规则热振动动能足以破坏氢键，使部分氢键断裂。原来的空旷结构逐渐瓦解成线度小的水分子集团，水分子集团间的距离明显变小。
0℃的冰融化为0℃水时，近15%的氢键被破坏，H₂O具有了流动性，固态转化为液态，由于水分子集团间的杂乱排列，且集团间距离明显减小，使得水的密度比冰要大，在0℃时，密度有一个突变而这时水中仍有大部分的氢键存在。
