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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quot异常膨胀现象quot。

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。因此，冰是一种非常紧密的结构，内部有相当大的空隙。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。

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