对一般物质而言，其密度具有以下规律：固体>液体>气体。而水并不是这样。水的密度比冰大，浮冰就是很好的例子。图片来源：pixabay.com

事实上，水在4℃时密度最大。

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http://labman.phys.utk.edu/phys221core/modules/m9/phases_of_water.html

在冬天，就结冰的湖水来说，上表面温度为0℃，往下依次增加，最下层是4℃。夏天却刚好相反。水的这一独特性质，保证了结冰的湖水中仍然存在着液态水，这对于水中生物至关重要。而陆地生物又源自海洋，所以水的这一性质对于地球上的生命来说是至关重要的。

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https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/volume-and-density/

那么，这一独特的性质是如何产生的呢？我们从相对简单的入手，先讨论气态和固态水。气态水就是水分子杂乱无章的分布。对于固态水来说,由于氢键的原因,水分子形成这种稳定的四面体结构。

气态、液态、固态三者的X射线光谱如下：

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https://www.youtube.com/watch?v=7hGqlEpvODw&t=820s

液态水明显含有两个峰，两个峰分别和气态、固态接近。这说明，液态水中含有两种结构，这两种结构分别和其气态和固态时相似。

氢键对于水至关重要。举个简单的例子，对于C族元素来说，在元素周期表上，从上到下的氢化物，其沸点逐渐增加。原因倒也简单，从上到下，分子质量增加，分子间范德华力增加。按理说，氧族也应该符合这一规律。但是，实际情况是，水个性十足，不按常理出牌。就是因为水中含有氢键，氢键的强度大于范德华力，所以水分子间作用力比同族其他氢化物要强，沸点自然就高了。

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http://www1.lsbu.ac.uk/water/phase_anomalies.html

液态水中为何同时存在两种情况呢？这就要引入另一个概念，熵，可理解为混乱程度。水分子骨子里是向往自由的，所以存在类似气态的结构。由于氢键的存在，部分水分子又被限制到类似正四面体的结构中。只有当温度低到一定程度（凝固点，0℃），水分子运动被较大程度的限制，这时氢键占据主导作用，就成为规整的正四面体结构。

回到那个问题：冰浮于水，为什么呢？

这是因为，固态水中水分子是规整的四面体结构，其空隙较大。液态水中的水分子是相对混乱的，反而比较致密一些。固态水的密度小于液态水，所以冰浮于水也就可以理解了。

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