實驗表明，水在4℃以上時始終遵守熱脹冷縮規律，只有在4℃以下，即4℃至0℃之間時水的密度比冰大的原因，才會出現異常膨脹。 水在 4°C 時體積最小，密度最大。 因此，冰的密度比水稍大。
水異常膨脹的原因水異常膨脹的原因是水分子具有特殊的結構，但現代科學對水分子的結構沒有統一的認識，因此對于水分子異常變化的原因也沒有統一的認識。水的密度。 解讀方法，現介紹幾種常見的解讀方法，供參考。
1、“晶體結構”理論：為了引入水的異常膨脹，必須引入冰的晶體結構。 在冰的晶體結構中，水分子（即冰晶的分子）在晶格中按一定方向排列，每個水分子都被另外四個分子包圍，形成多面體（三角錐體）。 ），水分子之間相互排斥的性質促使冰晶中水分子的排列一定是這樣的，這些排列比較松散，而且體積較大，如果冰中的水分子不是這樣排列的，但如果它們一一緊密排列，相同質量的冰體積就會縮小。
用X射線研究液態水的結構時發現，在高溫液態水的底部仍然一定程度地保留著冰的多面體結構，也就是說，在高溫液態水的底部還存在著極其微小的冰晶。底部為高溫液態水。 據推測，0℃附近的水中大約含有0.60%的這些微晶，當溫度逐漸下降時，這些微晶逐漸被破壞。 由于這些微晶具有像冰一樣的晶體結構，其體積比同質量的水大，所以這些微晶逐漸被破壞，體積逐漸變小，因此密度逐漸增大。 反之，當其溫度從4℃降至0℃時，這些微晶逐漸減少，體積逐漸增大，密度逐漸減小，并發生異常膨脹。 但當水的溫度低于4℃時，水分子的熱運動會減小分子間的距離，體積增大，密度降低。 因此，水的密度在4°C時最大。
2、“極性分子”理論：
事實證明水的密度比冰大的原因，水是由許多不斷運動的水分子組成的。 根據實驗和現代理論研究的結果，知道水分子的兩端形成兩個相反的電荷，一端帶正電，另一端帶負電。 如圖4所示：當溫度逐漸下降到4℃以上時，水分子的動能增大，運動速度加快，相互吸引在一起的兩個分子逐漸分解成單個分子，范圍運動范圍也擴大了。 隨著時間的推移，水的密度逐漸減小。
3、“分子統一”理論：
水的異常膨脹與水在不同狀態下的結構有關。 實驗事實證明，無論是液態水還是固態水，都富含簡單分子結合而成的復雜分子（H2O）2。
這些結合過程稱為水分子的結合。
液態水不僅富含簡單水分子（H2O），還富含復雜分子（H2O）2和（H2O）3。 由于結合是吸熱過程，因此溫度較低的水的結合程度也急劇增加，即n值變大。 當溫度為0°C時，水與冰結合，所有水分子結合在一起。 在冰的結構中，每個氧原子與4個氫原子連接形成多面體，因此冰的結構中存在較大的間隙，因此冰的密度比水小且輕。
水在4℃時密度最大的原因可能是0℃時液態水的底部仍然存在一些非常小的分子，這些分子與冰的結構類似。 當加熱時，一方面，這些冰結構的結合分子會不斷被破壞，排列得更緊密，密度增加； 隨著溫度的升高而降低。 在 4°C 以下，第一個效應占主導地位，在 4°C 以上，第二個效應占主導地位。 因此只有在 4°C 時密度才最大。