冰为什么会反常膨胀

液态水，除含有简单的水分子（H2O）外，同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等，当温度在0℃水未结冰时，大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在，当温度升高到3.98 ℃（101 kPa）时，水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。如果温度再继续升高在3.98 ℃以上，一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0 ℃时，水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻（两个共价键，两个氢键），如下图所示。这样一种排布导致成一种敞开结构，也就是说冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。

每个水分子以氢键和约3.4个其余水分子结合(并没有到达最大极限4个)，所以水分子拥有较大的运动自由度，水分子之间的排列结构呈部份规则。当水降低温度结成冰时，冰中水分子之间的氢键数达到最大值4个，形成一个稳定的空架晶格分子，形状为六方晶格，故冰中的H2O分子彼此之间被固定在适当的距离。当冰融化后一些H2O分子之间的氢键被破坏，于是空架晶格开始被扭曲瓦解，分子之间的距离也随之缩小，所以等质量水的体积比冰小

水的密度是1000kg\立方米，冰的密度较小，水变冰的时候质量不变，体积就变大了，形成冰的反常膨胀

冰的密度比水小，当水变冰的时候质量不变，密度又比水小，自然体积就变大了