一般的物質有熱脹冷縮的特點，而水比較特殊，水的密度在4℃的時候最大為1kg/m³，4℃以上是熱脹冷縮，隨溫度升高密度變小；而在0℃到4℃之間是熱縮冷漲，隨溫度升高密度變大。

水變成冰時，它的密度約為0.9kg/m³，根據密度公式ρ=m/V，密度變小，則體積變大，所以水結成冰後體積會膨脹。

也正是由於冰的密度小於水，冰才會浮在水面之上。

多數情況下，物體遵循熱脹冷縮，也就是物體由液態受冷形成固態時體積減小密度增大，但是水結冰後體積卻發生膨脹，這主要是因為水分子間的化學變化。這類物質還有液氨,液態氟化氫。

解釋這個現象首先要了解下氫鍵和締合分子。水分子之間存在較強的氫鍵作用，它比水分子間的作用力（範得瓦耳斯力）還要大得多，這就使得水分子透過氫鍵結合形成了締合分子（多個水分子組合在一起）。

液態水中除了正常的水分子H2O外，還存在水分子的締合分子（典型的包括(H2O)2和(H2O)3）。當水處於0℃並且未結冰時，多數水分子以(H2O)3存在，當溫度升高到3.98℃(101kPa)時水分子多以(H2O)2形式存在，在水溫由0℃升至4℃的過程中，締合分子氫鍵斷裂引起的水分子間距變小，從而使水的密度增大作用強於水分子熱運動引起的密度減小，所以這個過程水的密度增大。如果溫度再繼續升高在3.98℃以上的話，一般物質熱脹冷縮的規律就占主導地位了，水也並不例外的。

我們回過來看下冰又是怎麼回事。當水溫降到0℃並且結冰時，幾乎全部水分子締合成一個巨大的分子，這使得冰的分子間排列有了規律（如上圖每一個氧原子有四個氫原子為近鄰），這種排列形成一種敞開的結構，也就是說冰的結構中有較大的孔隙，所以冰的體積要比同溫度水的體積大，密度要比同溫度水的密度小。

當你把將水裝滿一個瓶子，再放入零下的溫度下冷凍，你就會發現瓶子膨脹變形了。

也就是說體積變大了，這個問題看似簡單，很多人說：密度改變了，但如果要解決為什麼密度改變了，就得使用化學的知識。

一般而言，物體遵循了熱脹冷縮的原則。但是水是其中的例外，而原因也就是其中的化學鍵——水分子的化學鍵有一種特殊的氫鍵。

物質的密度由物質內分子的平均間距決定。對於水來說，由於水中存在大量單個水分子，也存在多個水分子組合在一起的締合水分子，而水分子締合後形成的締合水分子的分子平均間距變大，所以水的密度由水中締合水分子的數量、締合的單個水分子個數決定。

具體地說，水的密度由水分子的締合作用、水分子的熱運動兩個因素決定。當溫度升高時，水分子的熱運動加快、締合作用減弱；當溫度降低時，水分子的熱運動減慢、締合作用加強。綜合考慮兩個因素的影響，便可得知水的密度變化規律。（如圖非常容易理解）

簡單來說，水變成冰體積變大，是因為液態水中水分子之間存在著較強的氫鍵作用力。當水處於液態時，在氫鍵力的作用下，水分子靠近，在宏觀上就表現為體積小。而變為固體時，水變為晶體，分子排列有了規律，氫鍵的作用力削弱，宏觀的表現為體積變大。

那是因為冰裡面有氣泡。

結冰的過程一般都是從表面開始的。表面一結冰，相當於把裡面封住了，隨著的溫度的降低，水中的氣體遊離出來，但是又跑不出去，就變成氣泡了，存在於冰中。

2018.6.4，21.00更新

1.熱脹冷縮一般指同一種物體，水和冰已經是不同的相態了。

2.冰密度小於水的密度，所以相同質量體積就變大。這個才是體積變大的主因，之前回答的氣泡問題只能算很小的輔因。

3.關於物體的相變，不是我的專業，所以一開始沒考慮到，誤導大家請見諒。

4.感謝艾伯菌的提醒。@艾伯史密斯

答：因為冰的結晶晶體，形成的空間四面體對空間的利用率，相對於液態水來說減小啦！其中液態水的氫鍵，起了很大作用！

要弄明白固態水密度比液態水密度低，我們需要從分子層面看，水分子由一個氧原子和兩個氫原子組成，三個原子形成104.5°的夾角，這種電荷不對稱的分佈，導致水分子存在極性！

從而形成了液態水中一種非常特殊的化學鍵——氫鍵！

氫鍵使得單個水分子的氧原子，對其他水分子中的氫原子，具有一定的吸引作用，這種作用大於了分子間的範德瓦爾斯力，使得液態水的平均分子距離縮短。

宏觀表現就是，比沒有氫鍵時的密度稍微增大！

可是一旦水凝結成冰，此時內部水分子將形成穩定的空間四面體，水分子再也不能隨意移動，氫鍵失去作用，水分子對空間的利用率反而降低了。

所以水結冰後，體積會減小，和熱脹冷縮是相反的結果。

但是水一旦結冰後，又會遵循熱脹冷縮原理，同一壓力下，溫度越低的冰密度會略有升高，反常現象主要存在於相變的時候！

而且，在液態水的區間（0~4℃），也存在反常區，那是因為4℃時的水，氫鍵作用最大，使得4℃的液態水密度也最大呢！

水有個很神奇的特徵，0-4℃時水是反熱脹冷縮，也就是說4℃的時候水的密度最大，0℃的時候相對來說密度最小（超過4℃的不算）。但是0℃以下又會遵循熱脹冷縮，固態的水再縮能縮到哪去，所以你懂的

世間萬物遇冷而縮，遇熱而脹，這是所有物體的一種基本性質，但水卻例外。

除水以外的物體受熱之後，物體基本粒子的動能就會加快，物體基本粒子之間的距離就會加大，也就導致物體的膨脹。反之物體遇冷，粒子運動就會降低，之間的距離也就減小，物體自然縮小。

那麼水為什麼卻例外呢？原來是氫鍵做的怪，大家都知道水的分子式是H2O，其中的氫鍵在遇冷時，不但沒有運動減慢，反而更活躍，還增加了氫鍵，這就導致水在結冰時，不但沒有減小體積，卻增大體積的原理。小夥伴們你們怎麼看，說說你們的意見吧！

液態下水分子是分離的，隨機遊蕩，溫度越低水分子振動越弱，相互之間距離就越近。這是水熱脹冷縮的狀態。

隨著溫度再降低，水分子振動已經很小了，電極化影響為主，有規律的排列（由於水分子是一個正電荷居多的氧原子和兩個負電荷居多的氫原子組成，氫原子並不是對稱地在氧原子兩端，所以正負電荷分離，像是磁鐵一樣，不同水分子之間就像不同磁鐵之間一樣首尾相接，有規律的排列。）

水分子有規律的排列就會佔用更大的空間，等全部水分子排列好，就形成了冰或者雪花。體積就會變大。

在水結冰的過程中，體積最小的時候大約在4°C。

水是司空見慣的物質，有點熟視無睹，但仔細研究起來，感覺它太神奇了。其密度就是有點與眾不同。在一般情況下，物體的溫度升高時，物體的體積膨脹、密度減小，表現為“熱脹冷縮”現象。然而水在4℃以上遵從“熱脹冷縮”，在4℃時密度最大，在4℃以下遵從“熱縮冷脹”，體積逐漸變大，密度變小。這種現象稱為反常膨脹。大部分物質遵從“熱脹冷縮”，溫度升高時，質量不變，體積增大，密度變小。

根據分子動理論，物質的質量一定，物質的密度由物質的體積大小決定，而體積大小是由分子間的平均間距決定。在4℃以上，當溫度升高時，水分子的熱運動加快，分子間的距離變大，體積變大，當溫度下降時，分子間的距離變小，體積變小。當溫度下降到4℃時，分子間的距離達到為最小，體積最小，如果溫度再繼續下降，分子間的距離又開始增大。

這是為什麼呢？對於4℃以下的水來說，由於水中不僅存在單個水分子，也存在多個水分子利用H鍵結合在一起的“分子團”，這些“分子團”使分子間的平均距離變大。溫度下降越多，這些“分子團”越多，分子間的距離越大，體積就越大。冬天的自來水管被凍裂就是這個原因。

多個水分子結合成“分子團”時，除了像雪花、窗花呈六角形外，還可能形成立體形點陣結構。每一個水分子都透過氫鍵，與周圍四個水分子組合在一起。邊緣的四個水分子也按照同樣的規律再與其他的水分子組合，形成一個個“分子團”。“分子團”中，每一個氧原子周圍都有4個氫原子，其中兩個氫原子較近一些，與氧原子之間是共價鍵。這種多個水分子組合成的“分子團”，排列比較鬆散，分子的間距比較大。所以，雪、冰的密度比較小

水溫升高並超過4℃時，“分子團”中水分子中的氫鍵斷裂，分子間的距離先變小再變大，這時要考慮水分子運動速度加快這個因素。在4℃時，由二個水分子結合的雙分子數目最多，水分子的間距最小，水的密度最大，水的體積最小。

水具有這種神奇特性，是保護水中生命的需要，只有這樣，水中生物才能安全越過冬天。

在寒冷的冬天，與空氣接觸的冰面與大氣的溫度相等，例如，外界溫度為-30℃，則冰的表層溫度也為-30℃。但與水接觸的冰的溫度則為零度。這是由於固態的冰是晶體，在熔化或凝固時溫度不變，冰凝固點為0℃，如果冰溫度低於0℃，則水會凝固，在凝固的過程中會保持0℃不變。如果冰溫度高於0℃，則冰會熔化，在熔化的過程中溫度也保持0℃不變。所以，在冰水接觸處總是保持著0℃，再往下溫度逐漸升高，在水的底部保持4℃， 4℃時水的密度最大，沉在水的最底層。魚兒不會被凍死就是這個原因。

感嘆大自然的造物主真是太聰明瞭！如果水不具有這種特性，地球上肯定缺少一類生物。

因為水在溫度變化的過程中影響密度的主要矛盾不一樣

當水的溫度相對比較高的時候，水分子就像是一堆散亂的積木一樣，彼此之間都是“獨立運動”的，互相之間相互碰撞，而且隨著溫度的升高，這些分子運動的幅度越來越大——相當於每個分子都需要擠出來更大的“活動空間”，所以水的密度會不斷下降。

而隨著溫度的進一步降低，大概在快要到達四攝氏度的時候，水分子的運動逐漸慢了下來，這個時候水分子之間就不再像是散亂的積木了，而是在分子之間的力的作用下規規矩矩地“排起了隊”（水分子之間的“氫鍵”作用）。下圖就是氫鍵作用下水分子搭起來的規則結構。

本來是散亂的積木，現在積木搭起來了規則的形狀，體積一下子就變大了。所以在這個時候，水的溫度越低、由散亂變得規則的積木就越多，水的密度反而變低了。

所以說，在不同的階段，主導水的密度的因素是不一樣的。溫度高的階段是水分子運動的激烈程度，所以溫度越低、體積越小、密度越大；溫度低的階段是水分子由不規則運動變成規則結構的程度，所以溫度越低、體積越大、密度越小。