趣味常识：为什么说“水在结冰时体积反而会膨胀” 从日常观察切入 ：通常情况下，当一种物质从液态冷却凝固成固态时，其分子排列会变得更加紧密，因此固态的密度会比液态大，体积会缩小。例如，熔化的蜡烛油或金属（如铁水）冷却凝固后，体积都会缩小。但水是一个显著的例外。如果你将一个装满水的瓶子密封后放入冰箱冷冻，会发现瓶子被胀裂，或者冰块从制冰盒中凸起。这表明水在变成冰的过程中，体积不仅没有缩小，反而 增大了 大约9%。 分子层面的解释（氢键与晶体结构） ：这种现象的根源在于水分子（H₂O）独特的结构和它们之间的作用力。 液态水 ：水分子由两个氢原子和一个氧原子组成，呈V形结构，氧端略带负电，氢端略带正电。因此，水分子之间会通过一种叫做“氢键”的较弱吸引力相互连接。在液态水中，分子运动剧烈，氢键不断地断裂和重新形成，分子排列相对混乱、紧密，可以灵活地挤在一起。 固态冰（0°C以下） ：当水温降到4°C以下并向0°C靠近时，分子运动减缓，氢键的作用开始主导分子的排列方式。为了形成最稳定、能量最低的结构，水分子会排列成一个非常开放、规则的六边形蜂窝状晶体结构（类似于蜂巢）。在这个结构中，每个水分子都通过氢键与四个其他水分子相连，形成一个巨大的三维网络。这个网络结构内部存在大量 规则的空洞 ，使得分子间的平均距离比在液态时反而更远。 密度与浮力 ：正是由于冰的晶体结构中有大量空隙，导致相同数量的水分子，在固态时所占的空间比液态时更大，因此 冰的密度（大约0.917 g/cm³）比液态水的密度（4°C时最大，为1.000 g/cm³）要小 。这就是为什么冰能漂浮在水面上。这一特性对地球生命至关重要，因为冰层浮在水面，为水下生物隔绝了寒冷，使水体不易从上到下全部冻透。 重要例外点与自然影响 ：值得注意的是，水的膨胀特性并非在所有温度下都成立。液态水在4°C时密度最大。当水从高温冷却到4°C的过程中，它遵循热胀冷缩规律，体积缩小、密度增大。但从4°C继续冷却到0°C并结冰的过程中，它就开始“反常膨胀”，体积变大、密度变小。这一特性除了解释冰浮于水的现象，也是自然界中岩石风化（水渗入岩石缝隙，结冰膨胀导致岩石开裂）和管道冻裂的根本原因。