冷知识典藏馆 · The Cold Almanac
科学 · 约 1 分钟

高压下冰可以有十几种结构,而且有些比水密度大

水在不同压力下可形成至少18种不同结构的冰。

水的相图,显示不同压力和温度下的冰相

反常识钩子

我们熟悉的冰(冰Ih)只是水固态家族中的一员。在高压下,水分子被迫排列成各种奇怪的结构,有的冰甚至比液态水还重,会沉下去。

到底是怎么回事

在常压下,水冻成六方晶系的冰Ih。当压力升高(比如几万到几十万个大气压),水分子会重新排列,形成冰II、冰III……直到冰XVIII(2019年确认)。这些高压冰熔点可达几百摄氏度,有的密度高达1.5倍于水。

背后的机制

水分子通过氢键连接,常压下形成四面体开放结构,密度较低。高压迫使分子挤得更紧,打破常规氢键,形成更致密的晶格(如冰VI、冰VII)。在极高压力(>100 GPa)下,水甚至可能变成超离子态——氧原子固定,氢原子自由移动。

容易误解

并非所有冰相都在低温下稳定。有些高压冰在室温下即可存在(如冰VII在3 GPa以上稳定)。它们并非“更冰”,而是同一种物质的不同固态相。此外,冰相研究多在实验室进行,自然界的冰通常只有冰Ih和少量冰XI(在极地低温)。

一句话带走

水的相图比你想的复杂得多——高压之下,连冰都要重新排队。

返回全部馆藏