为什么水的温度上升会体积减小（其他物质遇冷收缩）

在现实的世界，如果冰的密度比水大，那么这个世界将会怎么样？最简单的答案应该就是冰下沉，然后海平面上升，最后淹没无数的低海拔地区吧。其实不说每到冬季，世界较高维度的海洋不断地有冰下沉，然后下沉之后的冰又因难以溶解而致使地球越来越冷了，单单就南北极的冰川全部沉入海底就足以令很多现在所能存在的东西消失了。

浮在海面上的冰川

可见冰的密度要是比水大，那么这原本的世界将会与现在的有多大的不同啊，而这个不同，或许直接所导致的就是地球无法孕育生命吧。

按常理来说，冰的密度要比水大，这是多么理所当然的事啊，毕竟几乎所有的东西遇冷的时候都会收缩，然后密度会变大，可是水为什么会有结冰之后体积反而会比没结冰之前的密度更小呢？这反其道而行的现象到底是不是因为被特地安排的呢？

水

其实要说水结冰之后的密度反而会比结冰前的小是被特地安排的话，那只不过是因为我们对水还不够了解而已，因为就科学的层面上来说，存在即合理，既然水结冰之后的密度要比结冰之前的低，那这必然是要有一个合理的解释的。那么这个合理的解释是什么呢？其实也就是水结冰的时候水分子的排列方式的问题。

冰

要了解水分子结冰之后的排列方式，我们可以先去了解水，它到底是个什么样的东西。

一个水分子是由两个氢原子跟一个氧原子组成的，一般的思维中，在不了解水分子结构的前提下，如果要对水分子的结构进行猜想，想必会有99%的人会认为水分子的结构应该是平衡的，即是绝大部分的人会认为水分子的结果是一个氧原子在水分子的中间，而两个氢原子则对称地处在氧原子的两边，因为只有这样的结构的水分子，那才能达到一种力的平衡，可事实是大家都猜错的。水分子的结构真的像是被特地安排的一样，一个水分子中的两个氢原子没有对称地分布在氧原子的两边，而是以一个V形的方式侧向于氧原子的一边，从而给水侧出了一个极性来。

水分子

若水分子中的两个氢原子规矩地像二氧化碳，或者二氧化硫等分子一样，有一个完美的对称结构，那么水也就不会像现在这样成为一种极性的物质了。

那么水的极性到底是怎么回事呢？其实这也正是因为水分子中的两个氢原子不按常理出牌而造成的。在一个水分子中，氧原子吸纳了两个氢原子的电子致使两个氢原子失去了电子而裸露出来并呈现出正电性，而氧原子则因为吸附多了两个电子而呈现出负电，恰巧，两个氢原子又神奇地同侧向了一边，这也就使得在一个水分子中的正电性与负电性无法因为对称抵消，从而也就使得一个水分子中，一端呈现了正电，而另一端而呈现了负电了。

水中的氢键

正负电可以互相吸引，而由水分子所组成的水，其实也就是因为一个水分子呈现出负电的氧原子端吸引着另一个水分子中的正电的氢原子端，而其呈现出正电的两个原子端又去吸引着其他水分子中的氧原子，这样一个吸着一个也就成了我们所说的氢键了。

其实也正是因为氢键的存在，水才可以成为自然界中唯一一种能以三种物理状态存在的物质，也即是气态，液态与固态。

水的气态是因为水分子已经完全摆脱了氢键的束缚而使得每一个水分子得以自由的一种状态，在这种状态中，由于水分子之间的距离远，所以氢键已经无法发挥作用，也就是无法再将水分子连接起来的一种结果。

水的液态是水分子在氢键的束缚作用下还能进行自由移动的一种状态。这种状态是因为水中的热量允许水分子拥有足够的能量在水体系中四处“走动”，可是这能使它们四处走动的热量并不足以让它们挣脱氢键的一种结果。

水的固态，其实也就是冰，在水还是液态的时候，水分子可以自由走动，而这自由走动的能量是来源于外界给水提供的热量，也即是温度，可当这水的温度不足，就是说当水的温度低于零度之后，水分子已经没有了足够的能量来对氢键做出有效的挣扎而得以自由走动，这个时候的水分子的状态将由氢键的力来主导。

氢键的力将一个一个的水分子给拉伸排列起来，而在水分子没有因为氢键的力来将它们拉伸排列的时候，水分子是可以最大限度地去填充水体系内部的分子与分子间的空隙的，可当氢键的这个力将水分子一个连着一个的时候，水体系内的水分子空隙就变大了，而变大了的水分子空隙所直接导致的就是水从液态变为固态之后的体积增大了10%左右。

可想而知，冰的密度比水小是有道理的，而且感觉水分子的内部物理结构及性质而言，水结冰后的密度真的只能小于结冰前的，而这结冰前后的密度已经不能用简单的热胀冷缩的原理来解释了。毕竟热胀冷缩只是说明物质的分子间的距离还有因为温度问题而继续缩小的可能，但是水不一样，在正常温度下的水，其水分子之间的距离就已经因为氢键的拉扯而靠得比较近了，因为温度再降低，水也不会再收缩多少了（4℃时的水的收缩达最大的程度，这时候的水的密度最高）。

水

因此说，水与其他物质不同的神奇之处就在于它不按常理出牌地将一个水分子中的两个氢原子统一歪向了一边，使得水分子的极性得以体现，从而也就使得氢键得以明显的存在，并将水分子一个接一个的拉到一起，否则，没有氢键的存在的话，今天的水，在0℃之下肯定依旧是跟二氧化碳或者是其他的气体那样是气态的。

如果0℃之下的水依旧是气态的，那世界将如何谈论生命的起源？所以说啊，我们要感谢上天，感谢他特意将一个水分子中的两个氢键给拨到了同一边，让它们可以产生氢键。