水结冰时,除了温度会发生变化外,还观察到什么

这看起来像是一个很傻的问题，因为就连小学一年级的孩子都知道水在0℃时会结冰，中学课本也明确写着水的冰点是0℃，绝大多数的科学资料中也将标准大气压下水的凝固点定为0℃，把这个问题拿出来讨论纯粹就是没事找事。

但事实果真如此吗？我们今天就来说道说道水结冰的科学。

冰

水的冰点其实远低于0℃

当我们将一杯自来水放入冰箱，它会在0℃时就冻成冰块，这似乎印证了课本上的说法。但如果你是一个有洁癖的人，你将杯子洗得极干净，再倒上一杯蒸馏水放进冰箱，就可能发现一种奇怪的现象：你从冰箱里取出的还是一杯水，而当你把杯子放在桌子上再往里插进一根吸管时，它冻上了。

如果你嫌洗杯子麻烦，还可以直接把从超市里买来的纯净水直接放进冰箱冰冻室，也可以得到类似的结果。这个实验成功的前提是你放进冰箱的一定是纯净水或蒸馏水，矿泉水或天然水都不行，同时你从冰箱里取出瓶子时动作要十分轻柔，这个道理我们放在下面讲。

一个过冷水的实验

聪明的你一定想到了，这种现象叫“过冷水”。也就是说，你从冰箱里小心拿出来的水实际上已经低于0℃，只是某些条件未满足，它并不会冻成冰。

水为什么结冰？

水在室温下是液体，它由无数水分子组合而成，每个水分子中有一个氧原子和两个氢原子。氧原子的最外层有两个孤对电子，它容易从外界得到两个电子，氢有一个电子，这样氧就与两个氢原子共同结合成了一个米老鼠头形状的水分子，两个氢原子就像米老鼠的耳朵。

水分子3D模型

由于氢原子的电子被吸引到了氧原子的那一边，所以水分子氢原子的这一边带正电，而氧原子那一边就带了负电，这使得水分子有了极性，这是水分子能形成氢键的关键因素。

水分子有极性

当许多水分子聚集在一起时，带负电的氧原子会与另一个水分子带正电的氢原子相互吸引，从而形成氢键，这样每一个水分子就可能与它周围四个水分子组成氢键。事实上，水的绝大多数物理和化学特性都与这些氢键有密切关系。

水分子通过氢键结合

由上面的分析我们可以看出，水分子是由氢键这种静电引力相互结合在一起的，由于这种力比较弱，每个水分子都可以在自己的位置上晃动，它们之间也可以随时变换位置，因此水在常温下表现为流动的粘性液体。

随着温度逐渐降低，水分子得到的能量越来越低，它晃动的幅度越来越小，当氢键的静电力占优势时，水分子之间的位置会相对固定下来，从而形成结晶。这就是固体的冰。

水分子在冰晶体中的排列

水发生相变的条件

水通常有气态、液态和固态三种形式（超流体等等在此处忽略），这三种形式又被称为水的三种相，水的相变受温度和压力的影响，通常体现在下面这张相变曲线图上。

水的相变与温度压力关系

事实上，当水处于合适的温度时时，它并不能马上发生相变，水的凝结还需要另一个重要因素，那就是它需要一个凝结核。这被称为“成核效应”，无论是气态水凝聚为液体还是液态水结冰，单有水分子不行，它还需要有杂质参加进来，否则完成相变的温度会发生大幅度改变。

自然界中的水大多含有丰富的杂质，其中包括一些微小的固体颗粒物和我们看不见的矿物盐，这些杂质由于与水分子带有不同的电荷，它们也更容易改变其周围水分子的运动状态。研究表明，如果这些杂质颗粒或分子带有更多的正电荷，它就更容易让其周围的水分子减少振动，因为杂质的分子更大，正电荷的杂质会吸引水分子中的氧原子，将其强行固定下来，从而带动周围其它水分子成核形成结晶。

所有雪花都是空气中的水气在灰尘杂质周围成核形成的冰晶

纯水难以成核凝结

纯水大多通过蒸馏或反渗透技术制成，它中间含有杂质数量极少，所以纯水缺乏成核条件。现实中制备超纯水很难，但科学家们已经通过实验得出标准压力下超纯水只有在-48.3°C时才会均匀成核，这是因为在超纯水中没有杂质，尽管水分子振动幅度极小，由于没有成核位置，它与周围其它水分子之间的氢键很难固定下来，这时候水还是液态的过冷水。

过冷水始终处于结晶的临界状态，一旦你向其中投入凝结核，或者哪怕是一颗细小的灰尘或冰晶，它会以此为中心以极快的速度结晶，变成一整块冰。

另一种情况是过冷水发生振动，也会迅速成核结冰。当你用玻璃棒搅动它，或者轻轻敲击杯子，其中的一部分水分子会因受到振动改变角度，从而与相邻水分子之间产生距离变化，这种变化会导致分子之间氢键的调整，从而快速结晶。