這看起來像是一個很傻的問題，因為就連小學(xué)一年級的孩子都知道水在0℃時會結(jié)冰，中學(xué)課本也明確寫著水的冰點是0℃，絕大多數(shù)的科學(xué)資料中也將標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的凝固點定為0℃，把這個問題拿出來討論純粹就是沒事找事。

但事實果真如此嗎？我們今天就來說道說道水結(jié)冰的科學(xué)。

冰

水的冰點其實遠(yuǎn)低于0℃

當(dāng)我們將一杯自來水放入冰箱，它會在0℃時就凍成冰塊，這似乎印證了課本上的說法。但如果你是一個有潔癖的人，你將杯子洗得極干凈，再倒上一杯蒸餾水放進冰箱，就可能發(fā)現(xiàn)一種奇怪的現(xiàn)象：你從冰箱里取出的還是一杯水，而當(dāng)你把杯子放在桌子上再往里插進一根吸管時，它凍上了。

如果你嫌洗杯子麻煩，還可以直接把從超市里買來的純凈水直接放進冰箱冰凍室，也可以得到類似的結(jié)果。這個實驗成功的前提是你放進冰箱的一定是純凈水或蒸餾水，礦泉水或天然水都不行，同時你從冰箱里取出瓶子時動作要十分輕柔，這個道理我們放在下面講。

一個過冷水的實驗

聰明的你一定想到了，這種現(xiàn)象叫“過冷水”。也就是說，你從冰箱里小心拿出來的水實際上已經(jīng)低于0℃，只是某些條件未滿足，它并不會凍成冰。

水為什么結(jié)冰？

水在室溫下是液體，它由無數(shù)水分子組合而成，每個水分子中有一個氧原子和兩個氫原子。氧原子的最外層有兩個孤對電子，它容易從外界得到兩個電子，氫有一個電子，這樣氧就與兩個氫原子共同結(jié)合成了一個米老鼠頭形狀的水分子，兩個氫原子就像米老鼠的耳朵。

水分子3D模型

由于氫原子的電子被吸引到了氧原子的那一邊，所以水分子氫原子的這一邊帶正電，而氧原子那一邊就帶了負(fù)電，這使得水分子有了極性，這是水分子能形成氫鍵的關(guān)鍵因素。

水分子有極性

當(dāng)許多水分子聚集在一起時，帶負(fù)電的氧原子會與另一個水分子帶正電的氫原子相互吸引，從而形成氫鍵，這樣每一個水分子就可能與它周圍四個水分子組成氫鍵。事實上，水的絕大多數(shù)物理和化學(xué)特性都與這些氫鍵有密切關(guān)系。

水分子通過氫鍵結(jié)合

由上面的分析我們可以看出，水分子是由氫鍵這種靜電引力相互結(jié)合在一起的，由于這種力比較弱，每個水分子都可以在自己的位置上晃動，它們之間也可以隨時變換位置，因此水在常溫下表現(xiàn)為流動的粘性液體。

隨著溫度逐漸降低，水分子得到的能量越來越低，它晃動的幅度越來越小，當(dāng)氫鍵的靜電力占優(yōu)勢時，水分子之間的位置會相對固定下來，從而形成結(jié)晶。這就是固體的冰。

水分子在冰晶體中的排列

水發(fā)生相變的條件

水通常有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形式（超流體等等在此處忽略），這三種形式又被稱為水的三種相，水的相變受溫度和壓力的影響，通常體現(xiàn)在下面這張相變曲線圖上。

水的相變與溫度壓力關(guān)系

事實上，當(dāng)水處于合適的溫度時時，它并不能馬上發(fā)生相變，水的凝結(jié)還需要另一個重要因素，那就是它需要一個凝結(jié)核。這被稱為“成核效應(yīng)”，無論是氣態(tài)水凝聚為液體還是液態(tài)水結(jié)冰，單有水分子不行，它還需要有雜質(zhì)參加進來，否則完成相變的溫度會發(fā)生大幅度改變。

自然界中的水大多含有豐富的雜質(zhì)，其中包括一些微小的固體顆粒物和我們看不見的礦物鹽，這些雜質(zhì)由于與水分子帶有不同的電荷，它們也更容易改變其周圍水分子的運動狀態(tài)。研究表明，如果這些雜質(zhì)顆?；蚍肿訋в懈嗟恼姾?，它就更容易讓其周圍的水分子減少振動，因為雜質(zhì)的分子更大，正電荷的雜質(zhì)會吸引水分子中的氧原子，將其強行固定下來，從而帶動周圍其它水分子成核形成結(jié)晶。

所有雪花都是空氣中的水氣在灰塵雜質(zhì)周圍成核形成的冰晶

純水難以成核凝結(jié)

純水大多通過蒸餾或反滲透技術(shù)制成，它中間含有雜質(zhì)數(shù)量極少，所以純水缺乏成核條件?，F(xiàn)實中制備超純水很難，但科學(xué)家們已經(jīng)通過實驗得出標(biāo)準(zhǔn)壓力下超純水只有在-48.3°C時才會均勻成核，這是因為在超純水中沒有雜質(zhì)，盡管水分子振動幅度極小，由于沒有成核位置，它與周圍其它水分子之間的氫鍵很難固定下來，這時候水還是液態(tài)的過冷水。

過冷水始終處于結(jié)晶的臨界狀態(tài)，一旦你向其中投入凝結(jié)核，或者哪怕是一顆細(xì)小的灰塵或冰晶，它會以此為中心以極快的速度結(jié)晶，變成一整塊冰。

另一種情況是過冷水發(fā)生振動，也會迅速成核結(jié)冰。當(dāng)你用玻璃棒攪動它，或者輕輕敲擊杯子，其中的一部分水分子會因受到振動改變角度，從而與相鄰水分子之間產(chǎn)生距離變化，這種變化會導(dǎo)致分子之間氫鍵的調(diào)整，從而快速結(jié)晶。

一瓶過冷水受到振動而快速結(jié)晶

當(dāng)條件滿足時，水結(jié)冰就很快

高空中的溫度經(jīng)常低于-10°C，但在這里的云層中依然存在大量液態(tài)的小水滴和水蒸氣，因為缺乏固體的灰塵和雜質(zhì)，它們不會結(jié)冰。當(dāng)飛機穿過這些云層，過冷的小水滴會在機身和機翼上迅速成核結(jié)冰，這嚴(yán)重影響到航空安全，因此飛行員會根據(jù)機載雷達或按照地面指示避開這些云層。

高空云層中的過冷水在機翼上結(jié)冰會影響飛行安全

當(dāng)我們從冰箱中取出冷凍的食品時會感覺它粘手，這是由于過低的溫度迅速使我們手指上的汗水結(jié)冰，從而將手指與食物凍在了一起。這不需要擔(dān)心，因為你手指的溫度可以在幾秒之內(nèi)融化這薄薄的冰層。

相比之下你更需要留意這樣一個忠告：在北方的寒冬里，千萬不要嘗試舔戶外的鐵柱子，冰會迅速粘住你的舌頭，給你帶來擺脫不掉的麻煩。