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我们在冰箱里找到的冰，实际上几乎所有地球上的冰，被化学家称为冰I或Ih。字母“h”表示其分子排列成六边形。这是我们可能遇到的唯一一种冰的形式。但这并不是唯一的形式。
随着温度和压力的变化，固体会转变成相同物质的不同版本。它们的分子保持不变，但排列或堆叠方式不同。这些替代的晶体结构被称为多形体。大多数化合物只有两种多形体。可可脂是巧克力中的主要脂肪，可以结晶成六种不同的多形体。但冰有大约20种多形体！近年来，研究人员表示已经发现了新的形式，而且可能还会发现更多。
许多冰的多形体是通过在巨大的压力下将水分子在冰晶中挤得越来越近而制成的。例如，冰VII有时被称为“热冰”。它的结构保持在662华氏度（350摄氏度）以上，是通过在大于200吨每平方英寸（三千兆帕斯卡）的压力下压碎冰制成的。想象一下四头大象的质量集中在一支铅笔橡皮上！冰VII的晶体呈立方体形状，而不是六边形。这种冰可能存在于土星的卫星恩塞拉达斯或木星的欧罗巴的冰层下面。研究人员在地球上发现了一些微小的样本，这些样本被困在地幔中形成的钻石内，距离地球表面约400英里（643公里）。
地球之外的冰
最奇怪的冰可能是超离子冰，也称为冰XVIII。2019年，在纽约布莱顿的激光能量实验室进行的激光爆炸证实了它的存在。这种冰很重。它的重量约为普通冰相同体积的四倍，甚至可以导电。它还是黑色的，熔点约为8500华氏度（4700摄氏度）——几乎与太阳表面一样热。
超离子冰可能是我们太阳系中最常见的水的形式。然而，当涉及到整个宇宙时，无定形冰可能会获得奖项。这种冰于1935年首次由一对加拿大研究人员在超冷的铜表面上凝结水蒸气时发现。结果是一种看起来有点像玻璃碎片的冰。在内部，无定形冰是一团随机分子的无形物质。它在水冷冻得太快以至于无法形成晶体时形成。这种冰覆盖在外层空间的尘埃粒子上。
在2023年2月，研究人员宣布他们发现了一种名为“中密度无定形冰”的新型冰。它看起来像细白色粉末。
原子的霸凌
即使是普通的冰I也很奇怪。通常，固态物质的形式比液态形式更密集（因此更重）。
这意味着大多数物质在结晶（或冷冻）时会下沉。以干冰为例，它是冷冻的二氧化碳（CO2），用于在万圣节时制作女巫的大锅冒烟和冒泡。它会直接沉到液态二氧化碳的底部。而冷冻的水则会在液态水中浮起。
水（H2O）由一个（大）氧原子与两个（微小）氢原子结合而成。在水中，过大的氧原子表现得像操场上的恶霸，从氢原子中夺取电子并将它们拉近自己。这意味着（贪婪的）氧原子获得了微弱的负电荷，而氢原子则获得了微弱的正电荷。
这些电荷使相邻的水分子像微小的磁铁一样粘在一起，正极吸引负极，负极吸引正极。这些脆弱的连接称为氢键。
这听起来可能不算什么，但我们的生命归功于水分子以这种方式粘在一起。氢键还在每个游泳池、池塘、湖泊和水坑的表面上形成了一层连接的水分子薄膜。它们将雨滴粘在一起，使水能够沿着地下根系的微小管道上升到植物和树木的顶部，并让水甲虫在水面上行走。
它能浮起来！
氢键解释了为什么冰会浮在水面上。当水在冰块托盘或池塘中冻结时，额外的氢键形成，将分子推开，形成六边形。这意味着与大多数物体不同，水在冻结时会膨胀而不是收缩。这就是冻结的水管会破裂的原因。
这意味着冰的密度比水少约9%。这解释了为什么冰块会漂浮在柠檬水中，以及为什么水体从上往下冻结。这也是为什么曲棍球运动员和花样滑冰者可以在冰冻的池塘上滑冰，以及为什么不幸的泰坦尼克号与漂浮的冰山相撞。而且，由于冰浮在水面上，它在冬天形成了湖泊和池塘表面的绝缘层。这保护了鱼、青蛙、蛤蜊和其他水生生物免受冻结。
地球上的冰令人惊叹。下次你在结冰的人行道上滑倒时，花点时间感谢一下氢键。这就是水分子之间的重要连接，一个只有几分之一纳米长的微小链接。
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