Почему вода при охлаждении расширяется в объеме, когда другие вещества при охлаждении сжимаются?

Охлаждаясь, вода вначале ведет себя как многие другие соединения: понемногу уплотняется - уменьшает свой удельный объем. Но при 4 oС (точнее, при 3,98 °С) наступает кризисное состояние — структурная перестройка, и при дальнейшем понижении температуры объем воды уже не уменьшается, а увеличивается. При охлаждении в нормальных условиях ниже 0 °С вода кристаллизируется, образуя лед, плотность которого меньше, а объем почти на 10% больше объема исходной воды.

Увеличение объема объясняется тем, что каждая молекула в структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими молекулами. В результате в фазе льда образуется ажурная конструкция с “полостями” между фиксированными молекулами воды, что вызывает значительное расширение всей замерзшей массы. Кристаллическая структура льда напоминает структуру алмаза: каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, участвующих в формировании водородной связи и находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в вершинах правильного тетраэдра под углами, равными 109°28' (см рис.) . В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность. Ажурная структура льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, ниже плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре.
Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %:


В процессе таяния, при 0 °С, примерно 10—15% воды утрачивает связи с соединениями, в результате увеличивается подвижность части молекул, и они погружаются в те полости, которыми богата ажурная структура льда. Этим объясняется сжатие льда при таянии и большая по сравнению с ним плотность образующейся воды, которая возрастает примерно на 10%. Можно считать, что эта величина определенным образом характеризует количество молекул воды, попавших в полости. Плотность образующейся воды достигает максимума при температуре 4 °С, а при дальнейшем росте температуры закономерное расширение воды, связанное с усилением молекулярного движения, превосходит эффект структурной перестройки “лед-вода”, и плотность воды начинает плавно снижаться.