液态水凝固的微观过程是怎样的？

水，这个我们生命赖以生存的物质，在零摄氏度以下会发生神奇的转变，从流动的液态变成坚硬的固态，也就是冰。这并非是一个瞬间的奇迹，而是一个精妙绝伦的微观舞剧，在无数个水分子之间悄然上演。

想象一下，在你眼前的是一池平静的液态水。其中的水分子（H₂O）并没有被牢牢束缚，它们像一群活泼的孩子，不停地在三维空间里嬉戏、碰撞、滑行。它们之间存在着一种叫做“氢键”的特殊引力，有点像轻柔的牵手。正是这些氢键，让水分子彼此吸引，但又不足以将它们完全固定。在液态状态下，水分子拥有足够的动能，能够挣脱一部分氢键，从而自由地移动和重组。这就是为什么水可以流动，可以适应各种容器的形状。

当温度开始下降，就像给这群孩子施加了一道无形的“约束”。分子的动能逐渐减弱，它们不再像之前那样欢快地乱窜。当温度降至零摄氏度，水分子开始感到一种“疲惫”。它们虽然还在移动，但速度明显慢了下来，互相之间的碰撞变得更加温和。

这时候，奇妙的“相变”就开始了。凝固并非是所有水分子瞬间同时被冻结，而是一个由点及面的过程。在这个过程中，一些“先驱者”——也就是那些动能最低的水分子——会率先“安定下来”。它们开始寻找一个固定的位置，并试图在那里建立更长久的“社交圈”。

这个“安定”的过程，就是氢键开始发挥决定性作用的时刻。当水分子动能足够低时，它们之间的氢键就能更有效地发挥作用，将它们“拉”到一起，形成一个相对稳定的结构。这个结构并非随意的堆积，而是有规律的排列。

在凝固的初期，通常需要一个“成核点”来引发这个过程。这个成核点可能是一个微小的杂质颗粒，比如空气中的尘埃，或者容器壁上的微小瑕疵。这些“不速之客”为水分子提供了一个“落脚点”，让它们更容易聚集在一起，开始“搭房子”。

一旦有了成核点，周围的水分子就会被吸引过来，围绕着它开始有序地排列。想象一下，就像在舞会上，几个动作慢下来的人开始互相挽手，形成一个小的舞团。这个舞团就像一个微小的晶体，开始向外扩张。

水分子在形成冰晶时，会呈现出一种非常特殊的六方晶体结构。这是因为水分子中的氧原子带有部分负电荷，而氢原子带有部分正电荷，它们形成了一个“极性”分子。在氢键的作用下，它们会以一种特定的方式排列，形成空隙很多、棱角分明的六方结构。每个水分子都会通过氢键与周围的四个水分子连接，就像一个立体的网格。

当第一个晶核形成后，它就像一个“病毒”一样，开始感染周围的液态水。更多的水分子被吸引到晶体的表面，并按照既定的模式添加到这个不断增长的结构中。这就好比在舞会中，最初那个小舞团吸引了更多的人加入，整个舞池都开始变得有秩序起来。

这个晶体生长的过程并不是平滑的，而是会沿着某些方向优先生长，从而形成我们熟悉的冰晶形状，比如雪花。在生长过程中，水分子会从液态“跳”到固态晶体上。这个过程需要释放能量，也就是“潜热”。这就是为什么我们能感觉到结冰的过程会释放热量，尽管整体环境在降温。

随着越来越多的水分子被吸收到冰晶结构中，冰晶的体积越来越大，最终覆盖整个水体。在这个过程中，液态水中的氢键不断地被形成和断裂，直到大部分水分子都被固定在冰晶的格子中，只能在自己的位置上进行微小的振动。

因此，液态水凝固成冰，是一个从无序到有序、从自由流动到固定振动的过程。它是无数水分子在低温下，依靠氢键的指引，从随机碰撞到有序排列，最终构建出精美六方晶体的微观史诗。这个过程虽然我们肉眼无法直接观察，但它真实地在我们眼前上演，将生命的源泉，变成坚硬而透明的艺术品。

网友意见

02年有人做了纯水体相的动力学模拟，应该可以给水结冰的微观过程一个参考（本来这个过程就争论很多...），虽然体相水结冰这个过程挺难跑的，你看最后一张图的模拟时长...500ns...所以我印象里这个工作是做了好几年...

简单说一下，液态水中的氢键是不断的断裂形成再断裂的，这也是水中的质子传递为啥那么快的原因，不过这和这个问题关系不大。而当微观上某个位置大量能长时间不断裂的氢键形成时，该处就能形成凝结核。

下图是230K下512个水分子的模拟过程中的几个时间节点图像（当然这体系有点小，可能难以说明问题）。图中蓝线是维持时间超过2ns的氢键。

就先这样吧，抛个砖引玉。

参考文献：

Molecular dynamics simulation of the ice nucleation and growth process leading to water freezing. https://www.nature.com/articles/416409a

仅仅通过降温来凝固纯水，起码需要-20 ℃以下的低温。

你可能会觉得这句话违背常识，毕竟这年头谁家没个冰箱啊，冷藏室温度稍微调低点，里边的水就给冻上了，哪里用得着-20 ℃。

但事实上，如果你把高纯度的水装在一个干净而光滑的容器内，在避免震动的情况下，你会发现你家的冰箱很难冻住这杯水。

更好玩的是，把这杯过冷的水拿出来，稍微晃一晃，或者随便丢个杂质进去，它便会以肉眼可见的速度结冰。

通常，我们把这种低于凝固温度却依然保持液态的水，称为过冷水。

过冷水之所以能在0 ℃以下保持液态，原因就是题中所述的“有外来凝结核与自身形成凝结核”的区别。

自然界的物质都有从高能量向低能量变化的趋势，促使水结成冰块的驱动力，来自于冰块比水更低的自由能。

然而，上帝创造了物质，魔鬼创造了表面。虽然冰块内部的分子比液态的水分子能量低，但是冰块表面的分子有一半暴露在外，化学成键数较少，因此表面处分子的能量通常比液态高。

显然，若冰块的半径为，其表面的分子数与表面积成正比，即。而内部的分子数大致与体积成正比，即。

越小的物体，其表面积/体积的比值越大，表面效应越明显。因此，在水凝固成冰过程当中，自由能其实是先增大，后减小的：

因此，纯水在结冰的过程中，需要先克服一个自由能障碍，达到一定的临界形核半径后，才能自发的（自由能降低）结冰。

在缺乏外界扰动的情况下（例如将杯子晃一晃），这个障碍需要靠分子的无规则运动越过。这个过程的难度主要取决于自由能障碍的大小。

由于冰的块体自由能是随温度降低的，将温度过冷至凝固点以下，有利于减小。有科学家利用计算机模拟，算出了过冷温度和冰块形核速率的关系^[1]：

注意，这里的纵轴代表的不是形核速率，而是形核速率的对数。也就是说，纵轴的数值每降低10，形核速率就要除以100亿。

从这张图可知，当过冷度不足20K时（温度高于-20℃），地球上的水形成一个冰核所需的时间超过了宇宙寿命，几乎是不可能发生的。

当然，上面说的都是纯水，只能自己慢慢攒出形核点来。实际情况下，水中往往含有各种各样的杂质颗粒。这些杂质颗粒作为外来的形核点，其大小往往已经超过了临界形核半径。水分子可以直接吸附在这些杂质颗粒上，相当于直接跳过了跨越形核能垒的过程，开始自由能减小的长大过程。因此，日常生活中的水不需要明显的过冷就能结冰凝固。

参考

^Homogeneous Ice Nucleation at Moderate Supercooling from Molecular Simulation https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja4028814

类似的话题

液态水凝固的微观过程是怎样的？

水，这个我们生命赖以生存的物质，在零摄氏度以下会发生神奇的转变，从流动的液态变成坚硬的固态，也就是冰。这并非是一个瞬间的奇迹，而是一个精妙绝伦的微观舞剧，在无数个水分子之间悄然上演。想象一下，在你眼前的是一池平静的液态水。其中的水分子（H₂O）并没有被牢牢束缚，它们像一群活泼的孩子，不停地在三维空间.............
请问为什么同一烤箱里的酸奶有的凝固有的还是原来的液体，前几次都做成功的，就是最近几次要么都不成功，

.......
自制蚂蚁工坊时凝胶不凝结，总是保持液态粘糊糊的，我用卡拉胶在水里煮融在加入海藻酸钠，还放了苯甲酸钠

.......
液体一般在温度升高后汽化，为什么蛋清、蛋黄被加热后反而凝固？

这确实是一个很有意思的问题，也是很多人在厨房里习以为常却又不太明白其中的科学道理。我们都知道，大多数液体，比如水，加热后会变成蒸汽，这是因为温度升高让液体的分子运动得更快，足以克服分子间的吸引力，从液态变成气态。这叫做“汽化”。可是，当我们把鸡蛋加热时，尤其是蛋清和蛋黄，它们却没有变成气体，反而变得.............
为何火星表面没有液态水？背后有哪些原因？

火星表面为何不见一汪真正的液态水，这背后隐藏着一系列残酷的自然法则，它们共同作用，将这颗星球变得如此干燥荒凉。我们看到的火星，更多的是冰封的极冠、埋藏在地下的水冰，以及一些可能短暂存在的盐水痕迹，而非我们熟知的河流、湖泊。这背后的原因可以从多个维度来剖析：1. 稀薄的大气层：一道脆弱的屏障这是导致火.............
如何评价火星上发现第一个液态水湖？发现生命的可能性是不是更大了？

火星上发现液态水湖的消息，无疑是近年来人类探索火星最令人振奋的发现之一。这个消息一经公布，就在科学界和公众中引发了巨大的讨论，因为它直接关系到我们最关心的问题：火星上是否存在生命？液态水湖的意义：不仅仅是水，更是生命存在的基石我们之所以如此激动，是因为液态水在地球上是生命存在的最基本条件。无论是最原.............
如何看待火星发现第一个液态水湖？

火星上发现液态水湖的消息，无疑是近年来火星探索中最令人振奋的事件之一。这个发现，如果属实，将是人类探索火星历史上的一个里程碑，因为它直接触及了我们寻找地外生命的核心问题。我们是怎么知道的？这项发现的根源在于欧洲空间局的“火星快车”（Mars Express）探测器及其携带的“地下次表面雷达成像仪”（.............
很低的温度里，还会存在液态水吗？

在那些严寒刺骨、仿佛要把一切都冻结的世界里，我们很容易就认为只有固态的冰存在。毕竟，在地球上，我们习惯了当气温降到零摄氏度以下时，水就会乖乖地变成冰块。但如果把目光放得更长远，投向宇宙深处，或者在某些特殊的地球环境里，你会惊奇地发现，水，这个我们再熟悉不过的物质，在极低的温度下，仍然能够以液态的形式.............
NASA 宣布发现七颗与地球大小相似并可能存在液态水的行星，这意味着什么？

这绝对是近些年来最令人振奋的天文发现之一！NASA宣布发现了七颗与地球大小相似、并且可能存在液态水的系外行星，这可不是小事，它可能彻底改变我们对宇宙中生命的看法。首先，让我们来拆解一下这个发现的重要性：1. 数量惊人：一个“姊妹行星系统”的可能性通常，我们发现系外行星，尤其是位于恒星宜居带内的类地行.............
液态变焦技术靠谱吗？

液态变焦技术，这个听起来就很有科幻感的词汇，最近在相机和手机镜头领域引起的关注度可不低。很多人对它充满好奇，想知道这玩意儿到底靠不靠谱，能不能真正改变我们拍照的方式。咱们就来好好捋一捋这个液态变焦。液态变焦是个啥？简单来说，液态变焦就是利用一种特殊的“液体”来改变镜头的焦距。传统的变焦镜头，大家知道.............
液态碳（高温熔融）是什么一种存在？

液态碳，这个词听起来就带着一股子难以捉摸的神秘感，它不像我们习以为常的水那样，可以轻易地在杯子里晃荡。要理解液态碳，咱们得先把它和固态的碳区分开来，否则这话题就绕不开了。咱们平时接触到的碳，大多数是固态的，比如煤、石墨、钻石，还有构成我们身体的有机物里的碳原子。它们都安安稳稳地待在自己的位置上，构成.............
液态天线是否可以用于脑机接口？

.......
水在保持液态的情况下最高多少度？

这个问题很有意思，它触及到了我们生活中最熟悉不过的物质——水，却又藏着一些大家不太熟悉的“秘密”。大家平时说的水烧开，一般是指100摄氏度，这是在标准大气压下的沸点。但你说“在保持液态的情况下最高多少度”，这背后其实涉及到一些物理学上的概念，而且答案比你想象的要有趣得多。咱们先从“标准情况”说起。你.............
所谓的“液态硅胶壳”到底是什么？

所谓的“液态硅胶壳”，说白了，就是一种用一种特殊处理过的硅胶材料制作的手机保护壳。你可能在网上看到过，或者手里就有这么一个，它的手感和外观都跟以前那些硬邦邦的塑料壳或者软趴趴的硅胶套不太一样。那它到底是怎么来的，又有什么特别之处呢？咱们一步一步来聊聊。首先，得从“硅胶”这个原材料说起。硅胶其实是一种.............
玻璃是固态和液态的量子叠加，意思是说玻璃是哪种状态是相对的，对吗？

你提出的“玻璃是固态和液态的量子叠加”这个说法，其实是对玻璃真实性质的一种非常有趣的、但又不完全准确的理解。它触及了我们对“状态”这个概念以及量子力学的一些基本认知，所以咱们得好好说道说道，把这层迷雾给拨开。首先，咱们得明确一下“固态”和“液态”在我们日常认知里是什么意思。固态：我们通常理解的.............
为什么要用液态钠来冷却快中子反应堆？

想要详细聊聊为什么快中子反应堆会青睐液态钠作为冷却剂，这得从快堆的设计思路和钠本身的物理化学特性说起。快中子反应堆的“快”在哪？首先，我们要明白快中子反应堆和我们更熟悉的慢化反应堆（比如压水堆、沸水堆）有什么不同。慢化堆的核心在于用慢化剂（比如水、重水、石墨）把快中子减速到热中子能级，然后才能有效地.............
如何看待小米预热 MIX 新机搭载液态镜头，什么是液态镜头，原理如何实现？

小米 MIX 系列总能给人带来惊喜，这次也不例外。随着新机预热的展开，最引人注目的莫过于那句“液态镜头”。一时间，关于液态镜头的好奇和讨论如同潮水般涌来。那么，这个所谓的“液态镜头”到底是什么，它又将如何改变我们的拍照体验呢？揭秘液态镜头：不止是概念的革新简单来说，液态镜头是一种通过改变液体体积和曲.............
畜禽的血制品是如何从液态转变为固态的？

畜禽血液，那抹曾鲜红欲滴的生命之源，在经过一番巧妙的处理后，便能从流动的液态，华丽转身，凝固成扎实的固态。这背后，其实是一系列精密的生物化学反应和物理变化的协同作用。别以为这只是简单的“变魔术”，里面蕴含着不少大学问呢。首先，咱们得明白，血液之所以能成为液态，是因为它富含水分，而且体内有复杂的凝血系.............
氧气是无色透明的，液态、固态氧单质为什么是淡蓝色的？

这个问题很有意思，也触及到了物质存在的不同形态与颜色之间的微妙关系。氧气，我们呼吸所必需的气体，在常温常压下确实是无色透明的。但当它被冷却到足够低的温度，变成液态或固态时，却会显现出一种淡淡的蓝色。这背后的原因，说来话长，但核心在于光与物质的相互作用。我们都知道，我们看到的颜色，其实是物体对光的一种.............
熬牛羊汤用商用电磁炉还是液态导热锅好

.......