水的熱脹冷縮是反常的，水在低於4度時熱縮冷脹，導致密度下降。冰是由水分子有序排列形成的結晶，水分子間靠氫鍵連線在一起形成非常“疏鬆”(低密度)的剛性結構(圖2-3)。最鄰近水分子的O—O 核間距為0.276nm,O—O—O鍵角約為109度，十分接近理想四面體的鍵角109 度28分。但僅是相鄰而不直接結合的各水分子的O一O 間距要大的多，最遠的要達0.347nm。每個水分子都能締合另外4 個水分子，形成四面體結構，所以水分子的配位數為4。擴充套件資料：水是一種特殊的液體。它在4℃時密度最大。溫度在4℃以上，液態水遵守一般熱脹冷縮規律。4℃以下，原來水中呈線形分佈的縮合分子中，出現一種像冰晶結構一樣的似冰締合分子，叫做"假冰晶體"。因為冰的密度比水小，“假冰晶體”的存在，降低了水的密度，這就是為什麼水在4℃時密度最大，低於4℃密度又要減小的秘密。這是水最重要也是最奇特的特性之一。是保障生物存在的很重要的一點，當水結冰的時候，冰的密度小，浮在水面，可以保障水下生物的生存。當天暖的時候，冰在上面，也是最先解凍。但如果冰的密度比水大，冰會不斷沉到水下，天暖的時候也不會解凍，來年上面的水繼續冰凍，直到所有的水都成了冰，那所有的水生生物都不會存在了。

什麼是溫度？

構成物質的微觀粒子（分子，原子，電子）在永不停息的做無規則運動

宏觀下，溫度表示物體的冷熱程度；縮小到原子層面上，溫度反應微觀粒子的運動劇烈程度。

根據熱學第二定律 “克勞修斯的表述為 熱量可以自發的從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體，但不可能自發的從溫度低的物體傳輸到溫度高的物體。”

因此，導致熱量在物體間傳遞的方式有3種：

熱傳導 （固體之間熱量傳遞）

熱對流 （液體透過內部運動，得到熱量均衡）

熱輻射 （熱源以電磁波等輻射形式發散熱能）

在質量不變的前提下，溫度越高的物體內能越大。所以以上三種方法都會導致物體內能改變。但是，還有另一種方法能導致物體內能改變——物質狀態變化。（0度的水比0度的冰具有更高的內能）

常見物質狀態包括：固體，液體，氣體。同種物質，相同質量下，氣體內能大於液體內能大於固體內能。換言之，氣體分子的運動劇烈程度遠遠高於同種液體和固體分子。

分子運動越劇烈，物質整體對個體分子的約束力越弱，因此體積越大。質量不變的情況下，固體密度大於液體和氣體密度。

這是一個常用規律，對絕大多數物質都適用，但是化學中總有“例外”

第一個例外——結構變化液態水為V形分子，分子間有偶極作用，特殊結構是氫鍵，分子間距離均等，構成液態整體。

但是，當溫度降低到0度時，一標準大氣壓下水的分子結構發生改變。它不再是V形分子，固態冰為六角形水晶結構。水變成冰時，原子結構改變，分子間距加大，結構緊密的許多個分子拼湊出一片“冰晶”

因此，水的密度997m/kg, 冰密度 934m/kg, 冰的密度略小於水的密度。

總結——同種質量下固體密度大於液體和氣體密度。若物態變化時微觀粒子結構變化，結果另當別論。

第二個例外——壓強

二氧化碳的固態“乾冰”，由於製冷功能優越，常用與機械製造和化學工程上。但是，地球上不存在自然的液態二氧化碳。

CO2三相點——由於地球上的氣壓太小，無法將二氧化碳壓縮至液態。當氣體達到凝固點時，直接凝華為固體。