一般来说，大多数物体都有热胀冷缩的特性。温度越高，物质的密度越低。但水是个例外，它热胀冷缩，只有在4℃时体积最小。当温度高于4℃或低于4℃时，体积会膨胀。这种现象被称为“异常膨胀现象”。
在水中，除了单分子H2O，还有更多复杂的(H2O)n(n可以是2、3、4……)分子与这些简单分子结合。这种在不改变物质化学性质的情况下，将简单分子结合成复杂分子团的过程称为分子缔合，相反的过程称为离解。它是一个缔合的放热过程，也是一个离解的吸热过程，所以水的缔合程度随温度的升高而降低(n降低)，随温度的降低而增加(n升高)。
当水在零度结冰时，所有的分子结合在一起形成一个巨大的群体。在冰的结构中，每个氧原子与四个氢原子相连形成一个四面体，每个氢原子与两个氧原子相连。即氧原子的四个键(两个共价键和两个氢键)指向一个四面体的四个顶点，每个水分子被四个水分子包围，如图2所示。因为氢键基本上属于静电引力，键能比化学键小很多，但接近分子间力的数量级，所以通常说氢键是一种很强的定向分子间力。但氢键不同于一般的分子间作用力，它是饱和的，有方向性的。所以冰是一个非常紧凑的结构，里面有相当大的空。当冰融化时，一些氢键被打破，四面体结构解体，水分子可以紧紧地挤在一起。所以冰融化时体积会缩小。
当科学家用X射线研究水在0℃附近的结构时，证实液态水中有非常小的冰晶。这些微小的冰晶与普通冰具有相同的晶体结构。根据计算，0℃附近的水中大约有0.6%的冰晶。当温度逐渐升高时，这些冰晶逐渐被破坏，导致体积减小，密度增加。
但当温度在4℃左右时，有两种影响改变了水的密度:一是液态水的分子热运动加剧，分子间平均距离增大，导致水的密度降低；另一种是水中含有的冰晶随着温度的升高逐渐融化，分子间的平均距离减小，导致密度增加。在1个大气压(101.325 kPa)下，水温低于4℃之前，后者的影响占主导地位；当水温高于4℃时，前者起主导作用。所以水的密度在4℃时最高。
水的这种特性给人们的日常生活造成了一些损失。比如水结冰时，体积膨胀产生的力足以使水管和水泥制品爆裂。当然，它也能给人类带来好处，尤其是在保护鱼类和其他水生生物方面。
▌本文来源:科普中国
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