一杯水里漂着两块冰 右边是一个玻璃杯,杯里的水面上漂着两块冰,冰只露出一小截,大部分泡在水下,旁边还有几个小气泡。左边写着 0.92:冰比水轻一点点,所以浮在上面。 水面 0.92 冰比水轻一点点, 所以浮在上面 水 1 克,冰约 0.92 克

往一杯果汁里丢几块冰,冰块“扑通”一声掉进去,很快又浮了上来,乖乖地漂在最上面。

可是,冰不就是冻起来的水吗?同样是水,为什么变成冰以后,就能浮在水上了?

一般来说,铁块、石头放进水里会沉下去,木头、泡沫会浮起来。能不能浮起来,要看它和水比,谁更“轻”。所以我们先要弄明白,这里说的“轻”到底是什么意思。

先想一想

一大块冰和一小杯水,哪个更重?如果一大块冰更重,它为什么还能浮在水上?

一、比轻重,要比“一样大”的时候

大冰块明明更重呀

一整盆冰,当然比一小杯水重。可是一整盆冰放进游泳池里,照样会浮起来。可见,“浮不浮”比的不是谁的总重量大。

换个比法:一样大小的时候谁更重

科学家的比法是:取一样大小的一块,看谁更重。这个“一样大小时有多重”,叫作密度。

  • 一小块方糖那么大的水,大约重 1 克。
  • 同样大小的冰,大约只有 0.92 克1。
一样大小的水和冰,谁更重 天平左边放一块方糖大小的水,约 1 克;右边放同样大小的冰,约 0.92 克。天平往水那边歪,水那边沉了下去。 一样大小,比谁更重 这个“重”叫作密度 一块方糖大小的水 约 1 克 同样大小的冰 约 0.92 克 指针歪向水这边 一样大小时,水比冰重一点点,所以冰能浮在水上
图 1 · 一样大小的水和冰放上天平,水那边沉下去:冰比同样大小的水轻一点点

冰比同样大小的水轻了一点点,所以它会浮起来。而且因为只轻了一点点,冰块大约有九成泡在水下,只露出一个小尖尖。

冰块大约九成泡在水下 一块冰漂在水里,水面以上只露出一小截,大约十分之一;水面以下的部分大约有十分之九。右边把冰分成 10 份:露出水面 1 份,泡在水下 9 份。 冰浮在水上 冰只比水轻一点点 露出水面:约十分之一 泡在水下:约十分之九 水面 分成 10 份 1 份 9 份
图 2 · 冰浮在水上,大约九成泡在水下,只露出一小截

可是新的问题又来了:冰和水明明是同一种东西,为什么一样大小时,冰反而更轻?

二、结冰的时候,水分子在做什么

水是由小小的水分子组成的

一杯水里,有数也数不清的“水分子”,它们小到用最厉害的放大镜也看不见。

水是液体的时候,水分子们挤在一起,到处乱跑、互相挤来挤去,就像下课时操场上的小朋友。

结冰时,分子手拉手排好了队

天冷了,水分子跑得越来越慢。到了 0 摄氏度,它们会停下来,手拉着手,排成一个个六边形,就像小朋友们手拉手围成圈做游戏。

围成圈以后,圈中间就空出了一块地方。所以同样大小的地方,冰里装下的水分子,反而比水里少2。

同样大的地方,水和冰里装了多少个水分子 左边的液态水里,16 个水分子乱糟糟地挤在虚线框中;右边的冰里,水分子手拉手排成六边形,中间有空洞,同样大的框只装下 10 个。 水:分子挤在一起,到处乱跑 冰:分子手拉手,排成六边形 16 个水分子 只有 10 个水分子 虚线框一样大,装得满满的 六边形中间空出了洞,所以冰更轻 氧原子 氢原子 手拉手(氢键)
图 3 · 结冰时,水分子排成留着空洞的六边形,同样的地方装的分子变少了(示意图,分子个数不是真实比例)

分子变少了,同样大小的一块就变轻了。这就是冰比水轻、能浮起来的秘密。

小知识

大部分东西都是固体比液体更重,比如融化的蜡烛油里,凝固的蜡块会沉下去。水是少数“反过来”的东西之一,这也让水变得特别神奇。

三、冰浮在水面上,有什么用

冬天的河,是从上往下结冰的

因为冰比水轻,冬天湖面、河面结冰的时候,冰总是浮在最上面,像给河盖上了一层厚厚的被子。

冰下面的水被这层“被子”挡住了冷风,就不容易再冻住。所以就算是很冷的冬天,冰层下面也还有流动的水,小鱼、小虾就在里面过冬。

如果冰会沉下去呢?

想象一下:要是冰比水重,河面上结出的冰就会一块一块沉到河底,上面的水再结冰、再沉下去……最后整条河都可能冻成一大块冰,鱼儿就没有地方住了。

所以,冰会浮起来这件小事,其实保护了水里的很多生命。

冰浮在上面和冰沉下去,河里会怎样 左边是真实的冬天:冰浮在河面上,像被子一样挡住冷风,下面的水没有冻住,小鱼在水草间游。右边是假想:冰一结出来就沉到河底,越堆越高,整条河可能冻成一大块。 真实的冬天 冰浮在上面 假如冰会沉下去 想象一下 冷风 冰层像被子 冰下面的水没冻住,小鱼在这里过冬 一结冰就往下沉 虚线:刚结出的冰 冰越堆越高,整条河可能冻住
图 4 · 冰浮在上面,河里才留得住水;要是冰会沉,整条河都可能冻成一大块

四、动手试试:看看水结冰会不会“长胖”

动手试试

你需要: 一个塑料杯、一支记号笔、清水、冰箱的冷冻室。

  1. 在塑料杯里倒大半杯水,用记号笔在杯子外面,沿着水面画一条线。
  2. 把杯子放进冷冻室,等上半天,直到水全部冻成冰。
  3. 拿出来看一看:冰的表面,是不是比你画的线高出了一点?

水的多少没有变,可是冻成冰以后占的地方变大了。这正是因为水分子排成了中间带洞的六边形。

水冻成冰以后变高了 左边的杯子里是水,水面正好到画的线;放进冷冻室冻成冰以后,右边的冰面比画的线高出一截,中间还微微鼓起来。 水冻成冰,会不会长胖 示意图 高出 一截 画的线 放进冷冻室 冻之前:水到画线的地方 冻成冰以后:比线高了一截
图 5 · 同样多的水,冻成冰以后占的地方变大了,冰面还会微微鼓起来
注意安全

一定要用塑料杯,不要用玻璃瓶,更不要用盖紧盖子的瓶子:水结冰时会“长胖”,可能把玻璃撑破。往冰箱里放东西之前,先问问大人。

小结

回到开头的问题,我们一路找到了这些答案:

  1. 怎么比轻重才对? 要比一样大小的时候谁更重,也就是比“密度”。
  2. 冰比水轻吗? 是的,一样大小的冰,大约只有水的九成重,所以冰会浮起来。
  3. 为什么冰更轻? 结冰时水分子手拉手排成六边形,中间空出了洞,同样的地方装下的分子变少了。
  4. 这有什么用? 冰浮在水面上,像被子一样盖住河流,让小鱼能在冰下面过冬。

下次喝冰饮料的时候,看看漂着的冰块露出水面有多少,是不是只有一个小尖尖?

参考资料

Footnotes

  1. IceWikipediaen.wikipedia.org ↗冰的晶体结构和密度(约 0.917 克每立方厘米)https://en.wikipedia.org/wiki/Ice ↩

  2. Water DensityUSGS Water Science Schoolusgs.gov ↗美国地质调查局的水科学小课堂,讲了冰为什么比水轻https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/water-density ↩