這與水的結構有關。

先說說為什麼一般物質通常是「熱脹冷縮」。所謂「熱」，其實就是物質中，無規則運動的能量，所以這裡有兩個關鍵詞：無規則、運動。一般的物質，溫度越高，其中無規則運動的激烈程度就越高。然而同時，粒子之間還有相互作用將它們限制在一定的範圍之內，使得其在某些位置上震動。溫度高了，其震動更強，相應地，粒子間的距離通常就更長了，也就「膨脹」了。這是一般物質熱脹冷縮的原因。

然而溫度變化時，不光能量會變化，另一個更抽象的量也會變化，即「熵」：dS = -dQ/T，其中S是熵，Q的能量，T是溫度。有能量輸入的時候，物質的熵也會相應的變化。所謂熵，就是表達混亂程度的一個量，越混亂，其值越高。更嚴格的說，即是，在給定一個宏觀狀態，比如{溫度、壓強、體積}的時候，其中可能的微觀狀態數的對數。水在降溫的時候，能量下降，同時熵也下降。這是，裡面的結構會趨向於一個更有序的狀態。與其他物質不同，水的結構並不是球形——其對稱性很低，這就使得其在形成有序狀態的時候，會在區域性形成低對稱性結構，而這個結構也具有較低的對稱性。而其他物質，比如鐵，鐵水在冷卻的時候，也會先聚整合小的結構，但這些結構在平均上，是具有對稱性的，那就不會在大尺度上形成有序結構。有序結構是導致水膨脹的重要因素。打個比方，一堆鋼材、連線件，堆在地上，可能一輛卡車就能裝下。然而若是組裝起來，形成了有序的結構，可能就有一個房子那麼大。而水分子的微觀結構、連線方式（氫鍵），恰好使得其在有序態時體積更大。

　　大多數物質都遵循熱脹冷縮的現象，這是因為當溫度升高時原子的振動加強，而溫度降低時原子或分子的振動降低所導致的。但某些物質在某些溫度範圍內則是例外，比如水就是一個重要的例外，但要注意水的例外溫度發生在大約０～８攝氏度的範圍內，如果是大於八攝氏度的液態水，在變成冰的時候，體積依然是減少的。並且當溫度低於４攝氏度時，隨著溫度下降水的體積就已經開始增加並不需要變成冰體積才增加。

　　不過，鑑於題主似乎因為水的例外反倒質疑起熱脹冷縮這一常見而重要的現象，又必要在這裡先談談生活中對物質熱脹冷縮的現象的實際應用。

　　修鐵路時，一節和一節的鐵軌之間需要留下足夠的縫隙，具體留多大的縫隙合適，則需要根據鋪設鐵軌當時的氣溫來決定。冬天就要留大一些，而夏天就可以留小一些。在鋪設橋面時施工中同樣需要考慮所用建材的熱脹冷縮現象，否則隨著氣溫的變化，就會讓本來一體化的結構被拉扯或擠壓，最終導致損壞。

這張照片顯示因熱脹冷縮而彎曲的鐵軌，這樣的鐵軌很容易讓列車出軌造成嚴重事故。

　　當然還有許多利用熱脹冷縮現象的發明或者應用，比如熱氣球同樣是利用受熱時的空氣體積膨脹於是質量變輕，從而提供浮力，而常見的液體溫度計也基於這一原理來進行設計，而且由於溫度的增加與體積的增加之間存在簡單的線性關係，於是我們就可以巧妙的利用這一點測量溫度！

　　水在某些溫度下會表現出受熱收縮遇冷膨脹的反常現象。歷史上科學家早就發現液態的純水，在４攝氏度的時候密度最大體積最小，這是說不管超過還是低於這一溫度，都將導致水的體積增大，即遇熱遇冷都會發生膨脹現象，而水的這個性質，對地球上的生命而言極其重要。注意這是在普通壓力下的現象。

　　那麼在普通壓力下，當溫度低於四度的時候發生了什麼事？科學家認為，發生的事類似於雪花的形成過程。由於水分子彼此之間存在氫鍵這一微弱的化學鍵，當它們堆積在一起的時候，它們傾向於形成一個六角形的結構，如果沒有受到外界強大壓力的影響。而雪花是闡釋這一六角形結構最完美的代言者。

　　最經典的雪花總是六角型的，因為這正是水分子彼此粘著形成的基礎結構。雪花比雨點輕盈，在空氣中隨風飛舞飄蕩，萬分迷人。這是水的特性帶來的美感。而同時這一特性讓地球生命成為可能，否則冬天形成的冰如果密度大於水，就會沉降到水底，日積月累的後果則必然將地球變成一個結結實實的大冰球，那可真是最大的噩夢啊，而歷史上生命熬過漫長的冰河時代而沒有滅絕，關鍵因素之一正是冰層下面依然是液態水。

給你舉個簡單的例子，你有很多根火柴棍，堆在一起就一堆，不佔地方，但是是散的，換一種方式，你把火柴棍搭成邊長為一根火柴棍的正方體，如下圖，就會形成一個具有立體空間形態

的狀態，就像模型的骨架一張，這樣這些火柴所佔有的空間就變大了，水結冰就是這個道理，水分子按照一定規律都挨著排列起來，就形成了微觀是固定狀態的冰，就變大了

水結成冰以後，冰浮在水上，這說明水的固體比液體要輕，這實在是一個特例。這是因為水分子之間存在“氫鍵”。

【冰晶體的空間網狀結構，透過“氫鍵”結合成了類似鑽石的結構。】

“氫鍵”究竟是什麼玩意呢？竟然如此奇妙？

我們知道水分子由一個氧原子和兩個氫原子透過共價鍵結合在一起。氧原子大，電負性強，而氫原子小，在共價鍵這場拔河比賽中，弱小一方的氫原子的電子雲就不可避免的被“拖”向氧原子，表現為氧原子稍帶負電，而氫原子稍帶正電，簡直像一個“電子雲衣服”脫了一半的“半裸”質子。這個帶正電的“半裸”質子特別容易被另一個水分子裡的帶負電氧原子裡的孤對電子吸引，形成較強的分子間作用力，這就是“氫鍵”！

【水分子裡，大哥氧原子拼命的拖拽氫原子的電子雲。】

氫鍵當然不止存在於水中，只要有電負性稍強的、帶孤對電子的元素，如氮、氧、氟、氯等，跟氫形成極性鍵，容易將氫的電子雲拖過去，就可以形成氫鍵。比如氫氟酸、氨水、鹽酸裡，甚至更復雜的有機分子裡，都存在著氫鍵。

【氨水中也存在氫鍵，因此氨在水中的溶解度超級大。】

由於水中存在這麼多分子間的“氫鍵”，所以水的宏觀表現和其他很多物質明顯反常。比如水比硫化氫的沸點高，那是因為水中有很多的氫鍵，分子間作用力強，而硫化氫就沒這麼多牽絆，早早的沸騰了。

同理，氨的沸點高於磷化氫，氟化氫的沸點高於氯化氫，也是氫鍵的貢獻。

【水的沸點在100度，有氫鍵的貢獻。】

水是液體的時候，流動性較好，好比熱鬧的舞場，兩個水分子相遇，相擁成鍵了，劃過一段短暫的舞步，然後迅速離開，尋找新的舞伴。而結冰以後，在冰雪嚴寒之下，水分子們冷靜了不少，回到了自己的座位，相鄰水分子之間都有氫鍵生成，形成正四面體結構。這種四面體結構對空間的利用率較低，只有34%，因此冰比水疏鬆，密度只有水的0.9倍。這才能讓我們看到冰浮於水上的反常現象，而其他大多數物質的固態都比液態比重大，會敦實的沉於液體之下。

【冰在水中產生的浮力歸根到底來自氫鍵。】

冰比水輕只是“氫鍵”的魔力的一個很小的表現，“氫鍵”在各個方面都影響了很多物質的物理化學性質。甚至影響到DNA的形成，DNA之所以可以以雙螺旋結構穩定存在，其中就是依賴於氫鍵而存在。

【DNA的雙螺旋結構，之所以能穩定，是由於鹼基之間存在氫鍵。】

類似的情況還出現在蛋白質的結構裡。

蛋白質的二級結構有α摺疊、β摺疊。α摺疊是螺旋結構，螺旋層與層之間的氨基酸之間存在氫鍵。β摺疊是平面結構，平面內任意兩排氨基酸之間存在氫鍵，緊密結合。如果沒有氫鍵的存在，蛋白質就沒有那麼緊緻，而是鬆鬆垮垮，根本無法充當生命的骨架。

【蛋白質依靠分子內氫鍵形成α螺旋二級結構，並將自身摺疊起來。】

羊毛就是一種蛋白纖維，彈性好，保暖，因此人們非常喜愛用它來做成衣服。它的主要成分為角蛋白，由多種α-氨基酸構成，分子間形成氫鍵。當我們拉伸羊毛的時候，會感覺到一股張力讓羊毛回縮，這就是氫鍵的力。

羊毛衫不能用溫度高的水來洗，因為這樣容易使蛋白纖維裡的氫鍵斷裂，羊毛的韌性、彈性就永久性的喪失了，羊毛衫看起來就會失去形狀，鬆鬆垮垮了。

【各種顏色的羊毛，織物的理想材料。】

2013年，中科院國家奈米科學中心“拍攝”到了“氫鍵的照片”，證明了“氫鍵”絕非科學家腦裡幻想出來的，而是真實存在的科學事實。

【“氫鍵”的照片，其中黃色為重點標誌出的“氫鍵”。很多事物都是首先存在於科學家的理念之中，在普通人看起來，他們的一些想法和瘋子沒什麼兩樣。但是隻要堅持理性分析、推理，最終一定會被事實證明。】