水分子结构是什么（为什么水在低于 4°C 时会膨胀？）

要理解其中的原因，我们必须稍微谈谈水分子的结构。 水由两个氢原子和一个氧原子组成，形成分子，每个氢原子（由核和位于其周围的电子组成）与氧原子共享其电子。 由于两种原子的大小差异很大（氧比氢大 16 倍），而且由于分子的结构非常特殊，氢原子位于分子的一端，这具有以下效果：原子的电荷不会完全抵消，即分子中发现氢原子的一端带轻微的负电荷，而另一端带轻微的正电荷。

这在正常情况下不是很重要，因为在液态下运动的分子的速度足以克服电力并导致分子相互碰撞，但是当水冷却到它的分子即将停止凝固，电力的吸引力和排斥力使分子根据电荷自行组织，即分子的带正电的末端与另一个分子的带负电的点对齐，从而产生结构其中分子之间的距离大于导致密度降低的原因。

这种称为氢键的排列也是水的其他特性的原因，例如，只要水是完全静止的纯净水，就可以将水冷却到冰点（0度）以下许多，但没有任何固体颗粒（凝结核）来启动冻结过程，并且没有任何使分子更接近的运动，氢键将使分子保持正确的距离，从而使水不会冻结，这种水被称为过冷却水。