结构生物化学/独特性质/冰冻膨胀
在 4°C 以下，水分子之间的氢键变得更强，导致物质膨胀。由于水分子之间的键更强，它们不像液态那样容易断裂和重新形成。作为液体，水分子不断移动（形成和断裂氢键），导致膨胀较少。当冻结时，水分子会呈现更确定的形状，并排列成六边形的晶体结构。这种晶体排列的密度低于液体形式中的分子，这使得冰的密度低于液态水。当水结冰时，体积会膨胀约 9%。
当水分子处于液态时，氢键以无序的方式不断形成和重新形成。在 25°C 时，水分子平均具有 3.4 个氢键。在冻结过程中，水分子会失去能量，不再像以前那样剧烈振动或移动。这使得水分子之间能形成更稳定的氢键，因为断裂这些键的能量较少。由于在达到冰点后，水分子受到晶格结构的限制，每个水分子平均具有 4 个氢键，接近其最大值。氢键以有序的晶体方式形成，导致密度降低，因为每个水分子都与相邻分子保持一定距离，这个距离等于氢键的长度。因此，水在结冰时会膨胀，冰会浮在水上。这种性质对于我们所知的生命至关重要。海洋表面的冰层可以隔热，允许生物在世界极地地区生存，并防止海洋完全结冰。