大多数物质都有热胀冷缩的特性，但有些物质在一定的温度范围里却会表现出相反的特性，即受热时收缩，遇冷时膨胀。具有这种反常膨胀特性的物质里，最常见的就是水，它在4℃以上或0℃以下都遵循热胀冷缩的规律，在0℃至4℃却表现冷胀热缩。4℃的水密度是最大的，越接近0℃，密度越小，水在结冰时，它的密度变得更小，因此冰总是浮在水面上。如果我们仔细观察水结冰的过程，会注意到冰首先是在水面出现的。
水和冰
水为什么会有这种反常膨胀现象呢？这和水的结构有关。大量水分子除了以单个形式存在以外，还会有多个水分子组合在一起，形成“缔合水分子”。水分子缔合时，相互间存在一种叫作“氢键”的相互作用，即不同水分子之间氧原子和氢原子的吸引作用。氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化：一是缔合水分子中的各单个分子的排列更为有序，二是各个分子间的距离变大。
水分子能否组合在一起成为“缔合水分子”，是与温度密切相关的，温度越高，缔合的程度越低；温度越低，缔合程度越高。常温下，有大约50%的单个水分子组合为缔合水分子。显然，缔合程度越高，水的结构就越松散，其密度就越低。然而，与此同时，温度还对水分子的热运动有影响，温度越高，热运动越快；温度越低，热运动越慢。这两种不同的作用，对水密度的影响是相反的。因此，谁占上风，就决定了水是热胀冷缩还是热缩冷胀了。
在4℃以下时，缔合作用对于水的密度影响更大，这时水呈现出反常膨胀的特性；而当温度超过4℃时，则主要受热运动的影响，这时水的密度随温度升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。
水分子氢键示意图（中间红色部分代表氧原子，两边白色部分代表氢原子）
值得一提的是，除了水之外，锑、铋、镓和青铜等物质在一定温度范围也有“反常膨胀”的特性。（匡志强）
【微问题】无缝钢轨或铁轨是怎么做到无缝的？
【关键词】热胀冷缩 冰晶 缔合作用
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