热胀冷缩，但为什么水结冰体积会膨胀？

都知道「热胀冷缩」，的确，大部分当物体受冷冻结时（从液体变成固体），它们都会收缩或者变小。

这是因为，通常情况下，如果你让物体变热，它所含的分子会更频繁地振动。当振动得更多，分子间就需要更多的空间，所以它就会膨胀。

是的，水加热变成水蒸气就是这个原理。

从逻辑上讲，如果你把物体冷却下来，那么分子的运动速度应该会变慢，分子间相互碰撞和反弹的强度会降低，分子活动频率也会降低，物体的分子会“聚集”在一起，使整体的体积收缩。

常理是这样，为什么水却是个特例呢？

水加热变成水蒸气，体积会变大，而水降温成冰块，体积也会变大。

都知道，水冻结后，水分子间的振动肯定会减少，但冰的体积却仍然会膨胀。

究其原因，是因为水分子奇怪形状。

水分子看起来像“米老鼠”的脑袋，在米老鼠的头部就是一个氧原子，两个圆耳朵是两个氢原子。

氧原子带一个负电荷，氢原子带一个正电荷，所以水分子倾向于粘在一起形成所谓的氢键。

正是由于这种强力结合的“氢键”，水所表现出的特性非 常的“柔”，抽刀断水水更柔，宏观的刀不可能砍断水分子之间的强力维系。

由于水分子采用这种形状，水分子在液体状态下倾向于连接在一起的方式是形成一个有大洞的非常开放的结构。这意味着，有很多额外的空间。

水是液态是，水分子之间的大洞呈无序的形状；而当水结冰时，分子会自动进入最稳定的状态，在极少振动的活动下保持整体形态，那么这种多个氢键组成的“大洞”就会扩张到最稳定的形状，如下图——

恰好，最能满足这一要求的水分子的排列占据了更多的空间。

所以冰结冰时会膨胀。

因为同样的质量，占据更大的体积，所以冰的密度比水小，饮料的冰块总是浮在杯口。

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编辑 ∑Gemini

 来源：数学职业家

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