水~性質~密度

大部分物質固態時的密度比液態時要高；因此，一塊固態純「物質」會沉入液態的純「物質」中。但是，一塊普通的冰卻會在水上浮，這是因為固態水的密度比液態水要「低」。這是水的一項非常重要的特性。在室溫時，液態水在溫度降低時密度會增加，這跟一般物質無異。但在接近冰點的4°C 時，水達到其最大密度，而且當水的溫度繼續向冰點下降，在標準狀態下液態水會膨脹，密度並因此會變「低」。這現象的物理原因跟普通冰的晶體結構有關，該結構又被稱為六角形冰I_h。水、鎵、鉍、銻和矽都會在凝固時膨脹；其他大部份材料則收縮。但要注意的是，並不是所有種類的冰密度都比液態水低。例如高密度非結晶冰和超高密度非結晶冰的密度都比液態純水要高。因此，普通冰密度比水高的理由並不能容易地憑直覺所得，而且它跟氫鍵固有的不尋常特性有很大關係。

總的來說，水在凝固時的膨脹是由於其以氫鍵不尋常的彈性而排成的縱列分子結構，以及能量特別低的六角形晶體形態（也就是標準狀態下所採用的形態）。那就是當水冷卻的時候，它嘗試在晶格形態下成堆，而該晶格會把鍵的旋轉及振動分量拉長，所以一個水分子會被鄰近的幾個分子推擠，這實際上就減少了當水在標準狀態下成冰時的水密度ρ。

這特性在地球生態系統中的重要性是不言而喻的。　　Ex：「如果」水凝固的時候密度較高的話，極地環境中的湖泊和海洋最後都會結成冰（從上至下）。這是因為此時冰會沉到湖底及河床，而必要的升溫現象在夏季時則因暖水層質量比底下的固態冰層低而發生不了。自然界的一個重要特徵就是上述並不會在環境中自然發生。

然而，冷水（在相關生物系統中的一般自然設定下）因氫鍵而在從冰點以上的4°C所開始產生的不尋常膨脹，為淡水生物在冬季提供了一重要的好處。在表面上被冷凍的水沉下，形成提供對流的水流並冷卻整個水體，但當湖水到達4°C 時，若繼續冷卻則表面水密度降低，形成一表面層，該層水最後會凝固成冰。由於向下的冷水流被密度的轉變擋住，冬季任何由淡水所成的大水體最冷的水都會在表面附近，離開湖底及河床。這說明了多種不為人知的冰性質，它們跟湖中的冰相關及像二十世紀早期科學家卡夫特（Horatio D. Craft）所描述的「跌出湖的冰」。

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