为什么水变成冰后体积变大?三态变化中,分子是怎么运动的?

水的特殊之处在于水分子能形成很强的氢键,氢键具有方向性,而水分子本身又是“V”字型结构（水为非线性、极性共价化合物,原因为氧的电子结构中有两个孤电子对占据两个杂化轨道,作用于成键电子对时使键角由109.29度,压缩至104.45度）,氢键将沿着“V”型的三个尖角展开,它使众多的水分子构成四面体的中空网状结构,这种结构的内部空隙较多,所以,水变成冰后体积变大,密度变小,硬度变大.
随着温度的升高,氢键将逐渐遭到破坏,但在0℃到4℃时,液态水中的氢键仍有一定的比例,这使得此时的水具有反常“热缩冷胀”的性质.水在4℃时的密度达到最大,而温度高于4℃后,氢键破坏殆尽,水分子的热运动使得分子间的距离增加,体积变大,密度变小,恢复热胀冷缩的通常属性.
固态中的分子基本上是在固定的一个位置附近做快速的振动,只有极少数会移动其位置.液体中的分子也是在某个位置附近快速振动,但一小段时间后,它又移动到另外一个位置上去振动,它就这样一边移动位置一边振动,通常它会在一个位置上振动数千次后移动位置,所以,若在极短的时间内击打液体,那它表现得像固体那样破碎、震颤,而不像通常液体所表现的那样——以流动来回应外力.气体中的分子时常是在做匀速直线运动,直到它与另一个分子碰撞的瞬间,才会改变其运动速度的大小与方向,它就这样时而直线前进、时而碰撞.