实验表明，水在4℃以上时始终遵守热胀冷缩规律，只有在4℃以下，即4℃至0℃之间时水的密度比冰大的原因，才会出现异常膨胀。 水在 4°C 时体积最小，密度最大。 因此，冰的密度比水稍大。
水异常膨胀的原因水异常膨胀的原因是水分子具有特殊的结构，但现代科学对水分子的结构没有统一的认识，因此对于水分子异常变化的原因也没有统一的认识。水的密度。 解读方法，现介绍几种常见的解读方法，供参考。
1、“晶体结构”理论：为了引入水的异常膨胀，必须引入冰的晶体结构。 在冰的晶体结构中，水分子（即冰晶的分子）在晶格中按一定方向排列，每个水分子都被另外四个分子包围，形成多面体（三角锥体）。 ），水分子之间相互排斥的性质促使冰晶中水分子的排列一定是这样的，这些排列比较松散，而且体积较大，如果冰中的水分子不是这样排列的，但如果它们一一紧密排列，相同质量的冰体积就会缩小。
用X射线研究液态水的结构时发现，在高温液态水的底部仍然一定程度地保留着冰的多面体结构，也就是说，在高温液态水的底部还存在着极其微小的冰晶。底部为高温液态水。 据推测，0℃附近的水中大约含有0.60%的这些微晶，当温度逐渐下降时，这些微晶逐渐被破坏。 由于这些微晶具有像冰一样的晶体结构，其体积比同质量的水大，所以这些微晶逐渐被破坏，体积逐渐变小，因此密度逐渐增大。 反之，当其温度从4℃降至0℃时，这些微晶逐渐减少，体积逐渐增大，密度逐渐减小，并发生异常膨胀。 但当水的温度低于4℃时，水分子的热运动会减小分子间的距离，体积增大，密度降低。 因此，水的密度在4°C时最大。
2、“极性分子”理论：
事实证明水的密度比冰大的原因，水是由许多不断运动的水分子组成的。 根据实验和现代理论研究的结果，知道水分子的两端形成两个相反的电荷，一端带正电，另一端带负电。 如图4所示：当温度逐渐下降到4℃以上时，水分子的动能增大，运动速度加快，相互吸引在一起的两个分子逐渐分解成单个分子，范围运动范围也扩大了。 随着时间的推移，水的密度逐渐减小。
3、“分子统一”理论：
水的异常膨胀与水在不同状态下的结构有关。 实验事实证明，无论是液态水还是固态水，都富含简单分子结合而成的复杂分子（H2O）2。
这些结合过程称为水分子的结合。
液态水不仅富含简单水分子（H2O），还富含复杂分子（H2O）2和（H2O）3。 由于结合是吸热过程，因此温度较低的水的结合程度也急剧增加，即n值变大。 当温度为0°C时，水与冰结合，所有水分子结合在一起。 在冰的结构中，每个氧原子与4个氢原子连接形成多面体，因此冰的结构中存在较大的间隙，因此冰的密度比水小且轻。
水在4℃时密度最大的原因可能是0℃时液态水的底部仍然存在一些非常小的分子，这些分子与冰的结构类似。 当加热时，一方面，这些冰结构的结合分子会不断被破坏，排列得更紧密，密度增加； 随着温度的升高而降低。 在 4°C 以下，第一个效应占主导地位，在 4°C 以上，第二个效应占主导地位。 因此只有在 4°C 时密度才最大。