結構生物化學/獨特性質/冰凍膨脹
在 4°C 以下，水分子之間的氫鍵變得更強，導致物質膨脹。由於水分子之間的鍵更強，它們不像液態那樣容易斷裂和重新形成。作為液體，水分子不斷移動（形成和斷裂氫鍵），導致膨脹較少。當凍結時，水分子會呈現更確定的形狀，並排列成六邊形的晶體結構。這種晶體排列的密度低於液體形式中的分子，這使得冰的密度低於液態水。當水結冰時，體積會膨脹約 9%。
當水分子處於液態時，氫鍵以無序的方式不斷形成和重新形成。在 25°C 時，水分子平均具有 3.4 個氫鍵。在凍結過程中，水分子會失去能量，不再像以前那樣劇烈振動或移動。這使得水分子之間能形成更穩定的氫鍵，因為斷裂這些鍵的能量較少。由於在達到冰點後，水分子受到晶格結構的限制，每個水分子平均具有 4 個氫鍵，接近其最大值。氫鍵以有序的晶體方式形成，導致密度降低，因為每個水分子都與相鄰分子保持一定距離，這個距離等於氫鍵的長度。因此，水在結冰時會膨脹，冰會浮在水上。這種性質對於我們所知的生命至關重要。海洋表面的冰層可以隔熱，允許生物在世界極地地區生存，並防止海洋完全結冰。