為什麼冰會浮在水面上？
― 大多數物質，都是沉下去的
冰會浮起來，看似理所當然。但就物質而言，這其實相當罕見。大多數物質凝固後會收縮、變重而下沉。只有水，凍結後反而變大。如果沒有這唯一的例外，地球上的湖泊與海洋，可能會從底部開始結冰。
把冰塊放進杯子裡的水中，冰會浮起來。沒有人會覺得奇怪。
但如果把蠟燭的蠟熔化，再丟入一塊已經凝固的蠟塊呢？它會沉下去。把同種金屬的固體丟進熔化的金屬裡，大多也會沉下去。
原因很單純。物質凝固時，粒子會整齊排列，盡量填滿空隙、緊密堆疊。堆得越密，同體積就越重，比液體更重，於是下沉。這才是正常現象。
水不一樣。凍結時，體積會增加約9%。把水裝進寶特瓶冷凍後會脹得鼓鼓的，原因就在這裡。
水分子並非直線，而是彎曲的，並且會朝固定方向向4個方向伸手牽手。這個「方向固定」的特性，正是關鍵所在。
在冰裡，每個分子都朝4個方向牽手，形成空隙很多的骨架結構。反倒是液態時，分子一邊斷開、一邊重新牽手，能夠緊緊靠在一起。
也就是說，水擁有一個罕見的性質：排列得越整齊，反而越占空間。接下來就一步步來看。
為什麼冰裡會出現空隙
水分子是由1個氧原子和2個氫原子組成，呈V字形彎曲。這個形狀造成電荷分布不均，使某個分子的氫，被另一個分子的氧吸引。分子之間就像是互相牽手一樣。
重點在於，這隻手有「偏好的方向」。並不是隨便哪裡都能牽，而是只能以固定角度順利連接。一個分子最多可以往4個方向伸出手。
慢慢冷卻時，分子會停止運動，所有分子都以最合適的方向互相牽手。結果就形成類似正四面體堆疊而成的骨架結構。這種骨架，內部相當空洞。
相對地，液態水中的手不斷地斷開又重新連接。正因為沒有整齊排列，分子才能鑽進空隙，彼此更緊密地靠在一起。
所以水才會凍結（＝整齊排列）之後，體積反而增加。這是一種「排列整齊反而不利」的罕見物質。
水，排列整齊後反而膨脹。
一般而言，液體越冷就越收縮、越重。可是水在4℃時最重，從4℃再降到0℃，反而會逐漸變輕。
據解釋，這是因為冰的骨架結構，其實從液態時就已經開始悄悄準備成形。「盡量堆緊」的效果與「想形成骨架」的效果互相拉鋸，在4℃達到平衡。
這個性質，對湖泊來說同樣重要。冬天湖面變冷時，水變重而下沉,使整個湖被攪動。但一旦低於4℃就會變輕，於是不再下沉。冰冷的水會留在表面結冰，底部則維持在4℃。
假如冰會下沉的話
試著想像一下。冬天，湖面會結冰。如果冰會下沉，一結成冰就會馬上沉到底部。
那麼湖面就會一直維持液態，持續暴露在冷空氣中，不斷結凍。冰會從底部一層層堆積上來，最終整個湖泊會變成一大塊冰。
而且即使到了夏天，底部的冰也曬不到太陽，上方又有水覆蓋，很難升溫。可能永遠也無法完全融化。
但實際上，由於冰會浮起，湖面會形成一層蓋子。冰的導熱能力差，底下的水因此不易變冷。所以底部得以保留液態水，讓魚類與水草能夠度過寒冬（見圖1下方）。
要是沒有這個性質，寒冷地區的水中生物或許根本無法生存。分子恰好呈V字形彎曲這一件事，成了整個生態系的前提條件。
浮在北極海面上的冰即使融化，海平面幾乎不會改變。浮著的冰早已排開了與自身重量相等的水量。融化成水之後，正好填滿那部分被排開的體積。
用杯子裡的冰水就能驗證：冰全部融化後，水並不會滿出來。
那麼海平面上升的原因究竟從何而來？答案是陸地上的冰。格陵蘭與南極的冰層、山地的冰河。這些冰原本並未浮在海上，融化後才第一次加入海洋。必須區分「浮著的冰」與「陸地上的冰」（此外，海水本身受熱膨脹的效應也被認為影響很大）。
凍結後膨脹，帶來的麻煩之處
體積增加的特性，有時會化為巨大的力量。水凍結時往外撐開的力道，相當強大。
- 水管會爆裂 ― 管內的水凍結、體積增加，從內側把管子撐壞。寒冷天氣讓水持續小流量流動，正是為了避免結凍
- 岩石會裂開 ― 滲入岩石縫隙的水反覆凍結、融化，久而久之岩石就會碎裂。這是山岳風化與落石的主要原因之一
- 道路會出現坑洞 ― 鋪面下方的水凍結後把路面頂起，融化後又下陷。寒冷地區道路損壞的原因之一即在此
- 冷凍食品的口感會改變 ― 細胞內長出的冰晶會從內部破壞細胞。急速冷凍能讓冰晶變小，據說能減少損傷
此外，在冰上灑鹽會讓溫度下降的現象，同樣源自水的這個性質。
在廚房就能驗證的實驗
- 在較小的容器（例如塑膠杯）中，把水加到接近杯緣
- 用油性筆在水面高度做記號
- 放進冷凍庫冷凍一整晚
- 第二天早上，冰的表面會比記號高出一截，那就是膨脹出來的部分
- 接著，在杯子裡放水和冰，在水面做記號，放到冰完全融化。水面幾乎不會改變
前半段可以驗證「凍結後體積會增加」，後半段可以驗證「浮著的冰融化後水面不變」，兩者能同時觀察到。絕對不要使用玻璃瓶或有蓋密封的容器來做這個實驗。可能會破裂。
總結
冰能浮在水面上，是因為水分子呈V字形彎曲，只能朝固定方向互相牽手。乖乖排好之後，反而會形成充滿空隙的骨架結構，比液態時更輕。這是一種排列整齊反而吃虧的罕見物質。
如果分子是直線形，
湖泊或許就會從底部開始結冰了。
而這些冰一旦聚成巨大的冰塊，就會開始「流動」。這個機制，在冰河明明是堅硬的冰，為什麼會像河流一樣流動？中有說明。
水面形成的冰層，能承受多重的人（厚度加倍，承重就變成4倍），在結冰的池塘或湖泊，冰要多厚才能讓人走上去？中有說明。
在4℃時最重的性質，也讓湖水在不同季節出現大規模的翻動。這個機制，在湖水為什麼一到秋天，上下就會對流交換？中有說明。
另外，水到了0℃也不一定就會結冰。如果缺少讓冰的骨架開始成形的契機，即使低於0℃，水仍會維持液態。這個不思議，在明明學過水在0℃會結冰，為什麼有些水在零下20℃也不會凍？中有說明。
想知道更多 ― 術語、數值，與教科書的連結從國中理科到最新研究話題，都會清楚標示屬於哪個層級
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「化學基礎」課程範圍
- 高中＋高中「化學」課程，或教科書中的進階、專欄內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（物理化學）的內容
- 研究連大學都尚未當成「定論」教授、研究者目前仍在探究中的話題
國中術語：描述水的不思議的詞彙
- 密度：相同體積的重量。冰約為0.917 g/cm³，水（4℃）為1.000 g/cm³。
- 氫鍵：正文中「牽手」的真正身分。水分子的氫，被另一個分子的氧所吸引而形成的鍵結。
- 結晶：粒子整齊排列的狀態。冰和雪花的結晶，都來自同一種骨架結構。
- 水的異常性：相較於其他物質，難以說明的水的性質總稱。冰會浮起就是其中一例。
- 凍裂作用：水凍結的力量使岩石破裂的現象，被認為是山岳風化的主要原因之一。
高中用公式驗證：冰山露出水面的部分，占幾成？
有句話叫「冰山一角」。那麼那個「一角」到底是幾成呢？只要知道密度，一次除法就能算出來。
沉入水中的比例 ＝ 冰的密度 ÷ 液體的密度
| 冰的密度 | 0.917 g/cm³ |
| 水的密度 | 1.000 g/cm³ |
| 海水的密度 | 1.025 g/cm³ |
會浮起來的東西，會在排開等同自身重量的液體時停止下沉。所以沉入的比例，只取決於兩者密度的比值。大小和形狀都無關。無論是小冰塊還是巨大冰山，比例都相同。
| 浮在水中時，沉入的比例 | 0.917 ÷ 1.000 ＝ 0.917（91.7%） |
| 露出水面的比例 | (1 − 0.917) × 100 ＝ 8.3% |
| 浮在海水中時，沉入的比例 | 0.917 ÷ 1.025 ≒ 0.895（89.5%） |
| 在海裡，露出的比例 | (1 − 0.895) × 100 ≒ 10.5% |
看得到的部分，大約只有一成。「冰山一角」這句話，並非單純比喻，而是幾乎精確的數字。
海水裡露出的比例略高一些，是因為含鹽而更重的關係。光靠0.917這一個數字，就能推算出這一切。
同一個數字，換個角度看。水變成冰之後，體積會增加多少？
| 1公升的水變成冰後的體積 | 1 ÷ 0.917 ≒ 1.09公升 |
| 增加的比例 | (1.09 − 1) × 100 ＝ 9% |
大約膨脹9%。從這一點,就能解釋好幾件事。
- 飲料冷凍後容器會裂開。蓋緊的寶特瓶因為沒有膨脹的空間，所以會爆裂
- 冬天水管會爆裂。管內的水沒有空間膨脹9%，只能撐破金屬
- 岩石會裂開，道路上會出現坑洞。滲入縫隙的水凍結後把周圍撐開，反覆發生後就會改變地形
「凍結後膨脹」，其實只有9%。但這樣的幅度就能撐破金屬管。只要沒有讓步空間，就算是些微的體積變化，也能化為這麼大的力量。
水還有另一個怪異的性質：最重的溫度不是0℃，而是4℃。
| 4℃水的密度 | 1.000 g/cm³（最大值） |
| 0℃水的密度 | 約0.9999 g/cm³ |
| 0℃冰的密度 | 0.917 g/cm³ |
變冷的水會往下沉，但一旦超過4℃反而變輕，就不會再繼續下沉。結果，池塘就會在底部積存4℃的水，並從表面開始結冰。
假如冰是會下沉的物質，湖面結成的冰就會沉到底部，池塘應該會從底部依序凍結。0.917這個數字，決定了那裡的生物能不能度過寒冬。
高中用數字來看，究竟輕了多少
| 冰（0℃）的密度 | 約0.917 g/cm³ |
| 水（4℃）的密度 | 1.000 g/cm³ |
| 凍結後體積的增加幅度 | 1 ÷ 0.917 ≒ 1.09 → 約增加9% |
| 浮在純水中的冰，露出水面的比例 | (1 − 0.917) × 100 ＝ 約8% |
| 浮在海水（約1.025）中的情況 | (1 − 0.917 ÷ 1.025) × 100 ≒ 約11% |
※ 數值會依溫度及雜質而變化，此處為一般性參考值。
「冰山一角」這句話，其實就是從這個計算得來的。看得到的大約只有全體的一成，剩下的都在水面之下。
高中高中＋為什麼「方向固定」會產生這樣的效果
水分子彎曲約104.5度，氧原子一側帶負電，氫原子一側帶正電。每個分子以2個氫伸出手，並用氧的2對電子對接手，總共可朝4個方向鍵結。
這4隻手朝向正四面體頂點的排列方式最穩定。所有分子都想滿足這個方向時，必然會形成帶有六角形通道的空洞結構。雪花結晶呈六角形，也是這種骨架結構顯露在外的結果。
相比之下，差異就很清楚了。許多分子間的引力（凡得瓦力）沒有特定方向。所以凝固時會盡量把球體堆得緊密，密度因而提高。水則是因為鍵結有方向性，才犧牲了堆疊的緊密度。
大學相圖的斜率，方向相反
把物質狀態以壓力和溫度表示的圖（相圖）中，水呈現出特殊的形狀。固體與液體的分界線，向左傾斜。大多數物質的分界線則是向右傾斜。
這意味著加壓會讓冰融化。在克勞修斯－克拉佩龍關係式dP/dT = ΔH / (T ΔV) 中，熔化時的體積變化ΔV 為負值所致。一般物質的ΔV為正值，因此斜率方向相反。
不過也需要留意。「溜冰能滑動,是因為壓力使冰融化」這種說法廣為流傳，但經過計算，冰刀造成的壓力使熔點下降的幅度極小，光靠這一點無法完全解釋（這一點在冰上灑鹽的文章中也有提到）。
在更高的壓力下，還會出現與我們熟悉的冰不同結構的冰，以編號區分，目前已報告近20種。其中甚至有比液態水更重的種類。「冰會浮起」，其實只是地表條件下才成立的說法。
研究水，至今仍未被完全解釋清楚
- 水的「異常性質」，據說多達70種以上。在4℃密度最大、比熱很大、表面張力高、加壓後反而更容易流動。目前還無法用單一理論一次說明這些現象。最貼近生活的液體，同時也是最難理解的液體。
- 有一種假說認為「水可能是由兩種液體混合而成」。其想法是存在低密度與高密度兩種狀態，比例會依條件而改變。若此假說成立，許多異常性質便有望一併獲得解釋。但需要驗證的溫度範圍（約零下90℃至零下40℃），水很快就會結凍，實驗極為困難，這個區域一直被研究者稱為「無人能進入的地帶」。近年透過極短時間測量的方法，已有支持該假說的結果被報告，但尚未有結論。
- 過冷水究竟能以液態存在到什麼程度，也尚未確定。已知純水在條件控制得當的情況下，可低溫到約零下38℃仍不結冰。但極限在哪裡、屆時會發生什麼，都是與上述議題直接相關、尚未解決的問題。
- 冰結構的探索也仍在持續。在高壓或特殊條件下，如今仍不斷發現新的冰結構，種類數量持續增加。「冰」這個詞看似簡單，實際上究竟有多少種，至今仍未確定。
與教科書的連結（依層級區分）
| 層級 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・密度／狀態變化／浮力 | 凍結後體積增加、浮起的原因、湖泊的例子 |
| 高中 | 化學基礎・分子形狀與極性／分子間力 | V字形結構、氫鍵、4方向鍵結 |
| 高中＋ | 化學・結晶結構／相圖 | 多孔的骨架結構、雪花的六角形 |
| 大學 | 物理化學・相平衡 | 相圖斜率、克勞修斯－克拉佩龍關係式、高壓下的冰 |
| 研究 | 液體物理學（未解決） | 水異常性質的統一解釋、雙態假說、過冷水的極限 |
| ― | 地科・生物 | 凍裂作用、湖泊生物過冬、海平面上升的誤解 |
- Atkins, P. & de Paula, J., Physical Chemistry（相圖、氫鍵、狀態變化）。
- Petrenko, V. F. & Whitworth, R. W., Physics of Ice（冰的結構與物性標準教科書）。
- Gallo, P. et al., Water: A Tale of Two Liquids, Chemical Reviews 116(13), 7463–7500, 2016（關於雙態假說的綜述）。
- Kim, K. H. et al., Maxima in the thermodynamic response and correlation functions of deeply supercooled water, Science 358, 1589–1593, 2017（過冷水的測量研究）。
- IPCC 第六次評估報告（海平面上升成因之評估）。
※ 密度等數值會依溫度與雜質而變化。本文採用一般常用的參考值。
※本文為一般大眾的科學解說。文中數值僅為理解機制所用的參考值,會依條件而有所變動。進行觀察實驗時，請勿使用密閉容器或玻璃容器冷凍水，以免破裂受傷。