冰为什么能浮在水面上？水在4℃时密度最大的原因
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冰能浮在水面上，是因为冰的密度比液态水小约8%：0℃的冰约为0.917 g/cm³，同温度的水约为0.9998 g/cm³。水结冰时，氢键把每个水分子固定在与四个邻居相连的开放六方晶格里，同样质量的水因此要多占约9%的体积。液态水还有另一个反常之处：它在约4℃（精确值是3.98℃）时密度最大，所以湖泊才会从上往下结冰，而最深处的水能一直保持在4℃左右。
密度决定浮沉：先记住一条规则
密度等于质量除以体积。物体的平均密度小于周围液体时就会漂浮，并停在“排开的液体重量恰好等于自身重量”的深度，这就是阿基米德原理。由此可以得到一条好记的规则：漂浮物浸在液面以下的体积占比，等于物体的密度除以液体的密度。
对大多数物质来说，固体比它自己的液体更致密。降温会让分子运动变慢、排得更紧，凝固时又被锁进更紧凑的排列，所以一块固体蜡会沉在熔化的蜡液里。水偏偏不守这个规矩：一块冰放进水杯，沉在水面以下的体积占0.917÷0.9998≈91.7%，露在水面上的只有约8%。
氢键把冰撑成开放的六方晶格
水分子（H2O）呈弯曲形。氧原子带少量负电，两个氢原子带少量正电，所以一个分子的氢原子会被相邻分子的氧原子吸引，这种吸引就是氢键。在液态水里，氢键不断断开又重新形成，分子可以滑进空隙，彼此挤得比较近。
在普通的冰（称为冰Ih，也就是六方冰）里，氢键不再“来回换位”。每个水分子被四个邻居以固定、接近正四面体的角度牢牢拉住：其中两个键经过它自己的氢原子，另外两个来自邻居的氢原子。这些角度把分子连成带褶皱的六元环，环的中间留下贯通的空洞。这种结构很浪费空间，所以冰比它原来的液态水轻。雪花常见的六重对称，也来自同样的六边形几何。
| 物质 | 温度 | 密度（g/cm³） | 说明 |
|---|---|---|---|
| 液态水 | 10℃ | 0.99970 | 高于4℃时，表现得和一般液体一样 |
| 液态水 | 3.98℃ | 0.99997 | 纯水的最大密度 |
| 液态水 | 0℃ | 0.99984 | 比4℃的水略轻 |
| 冰Ih | 0℃ | 0.9167 | 比0℃的水轻约8.3% |
| 海水（典型值） | 表层 | 约1.025 | 溶解的盐增加了质量 |
“约8%”和“约9%”描述的是同一个变化，而且都正确，只是选的基准不同。冰的密度比水小约8%（0.9167÷0.99984=0.917），而一定质量的水结冰后体积增大约9%（0.99984÷0.9167=1.091）。因此这两个数字不能互换：说成“密度小9%”或“体积增大8%”就不对了。
水为什么在4℃时密度最大（水的反常膨胀）
水降温时，有两种方向相反的作用同时在起效。一方面，分子运动变慢、排得更紧，任何液体都会因此变得更密。另一方面，水中由氢键连成的、寿命很短且类似冰结构的分子团越来越多，它们的开放结构会把分子撑开。温度高于约4℃时，前一种作用占上风，水冷却时体积缩小；低于4℃时，后一种作用占上风，水在结冰之前就已经略微膨胀。这种0～4℃之间“遇冷反而膨胀”的现象，常被称为水的反常膨胀。
以IAPWS-95标准为基础的参考数据显示，在标准大气压下，纯水的密度在3.98℃时达到峰值0.999975 g/cm³。日常说的“4℃”是它的近似说法。这个效应其实非常微小：0℃的水只比4℃的水密度小约0.013%，0℃和8℃的水密度几乎相同（分别是0.99984和0.99985 g/cm³）。差别虽小，却每年冬天都在决定湖泊的表现。
湖面为什么先结冰，湖底为什么是4℃
在温带的深水湖里，降温过程大致按下面的顺序进行：
- 秋季混合。表层水变冷、密度变大后下沉，风再把湖水搅动（秋季翻转），直到整个水柱都接近4℃。
- 越过4℃。表层水一旦降到4℃以下，就会比下面的水轻，不再下沉，降温被限制在薄薄的表层。
- 表层结冰。顶层降到0℃并结冰。冰浮在水面上，既隔热又挡住风的搅动，所以只能从下方缓慢增厚。
- 冬季分层。冰下的水接近0℃，越往深处温度越高，湖底约为4℃，这叫逆温分层（冬季逆分层）。
- 春季翻转。冰融化、表层升温到约4℃后，整个湖的水密度几乎相同，风又能把湖水上下搅匀。
0℃和4℃的水之间的密度差只有约0.00013 g/cm³，大约是水与冰密度差的1/600，所以冬季分层很弱，但冰盖像一个盖子，让这种分层得以稳定保持。鱼和其他生物就在下面的液态水里越冬，不过遇到严寒，浅水池塘仍可能几乎冻到底。
冰山一角：为什么约九成沉在水下
决定冰块沉入水中比例的那条规则同样适用于冰山，只是液体换成了密度约1.025 g/cm³的海水。两个密度相除，0.917÷1.025≈0.89，也就是说，一座纯冰冰山约有89%沉在水线以下，约11%露在水面上。真实的冰山含有被困住的气泡，形状也不规则，所以人们熟悉的“约90%”只是经验说法，不是精确值。汉语里常说的“冰山一角”，指的正是露出水面的这一小部分。海水含盐、密度更大，同样的冰在海里也就浮得略高一些。
水管冻裂、岩石开裂：约9%的膨胀有多大力量
9%的膨胀看起来不大，可一旦水无处可去，力量就很可观：
- 水管冻裂。水管里一旦有一段结成冰、把管子堵住，继续结冰就会把被困住的水挤向关闭的水龙头。液态水几乎压不缩，这一段水管里的压力不断升高，直到管壁裂开，裂口往往出现在冰很少的地方。让水龙头保持滴水，就给这种压力留了一条出路。
- 冷冻室里的瓶子。装满水并密封的玻璃瓶可能会胀裂，因为里面的水结冰后要多占约9%的空间。示例计算：500 g水在0℃时约占500 cm³（500÷0.99984），结冰后约占545 cm³（500÷0.9167），多出的约45 cm³没有地方放。
- 冰劈作用（冻融风化）。水渗进岩石裂缝，结冰后把裂缝越撑越宽，每次解冻又让更多水渗进去。反复的冻融循环会使山坡上的岩石崩解，也会损坏混凝土和路面。
常见问题
冰块融化后，装满水的杯子会溢出来吗？
不会。漂在水里的冰块，排开的水的重量本来就等于它自身的重量。融化之后，它变成的水刚好填满它原先沉在水下那一部分所占的空间，所以水位基本不变。需要注意，这个结论针对的是漂在同一杯水里的冰块。
只有水的固体能浮在自己的液体上吗？
不是，只是最常见的一种。硅、镓、铋等少数物质凝固时同样会膨胀。而从金属到蜡，大多数物质在凝固时都会收缩。
海底也有4℃的水吗？
原因并不相同。盐会同时降低冰点和最大密度对应的温度。当盐度高于24.7（大洋海水通常更咸）时，海水会一直变密，直到约−2℃的冰点为止。深海的水温很低，一般低于4℃，因为又冷又重的水会下沉。
参考资料：NIST化学网络手册：水的等压性质（IAPWS-95）；IAPWS R10-06：冰Ih状态方程2006年修订版；Water on the Web：湖泊的密度分层；美国气象学会《海洋科学导论》：冰的形成。
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