这是因为液态的水在凝固成冰的时候,分子间的相互作用力使分子按一定的规则排列,每个分子都被四个分子所包围,形成一个结晶四面体.这种排列方式是比较松散的,使得冰晶体中的分子间的平均距离大于液态水中的分子间的平均距离.
在液态水中,分子的排列比较混乱,不像冰中的分子那样,按一定的规律排列.分子在液态中的运动虽然比在冰中更自由,但分子与分子间的平均距离比在冰中更小,所以水的密度比冰的密度大.
用X射线研究液态水的结构时,发现液态水中在一定程度上还保留着非常微小的冰的晶体.根据推算,在接近0℃的水里,约包含着0.6%的这种微晶体.当温度逐渐升高时,这种微晶体逐渐地被破坏,由于这种微晶体具有较小的密度,所以微晶体的被破坏就会引起密度的增加.
因此,在水中有两种使密度改变的效应：
一、使密度变小的效应.当温度升高的时候,水分子的热运动更剧烈了,分子间的距离变大了,因而引起密度的减小.
二、使密度变大的效应.当温度升高时,水中的微晶体逐渐地被破坏,引起密度的增大.
在4℃以上,水的温度升高时,第一种效应占优势,水的密度减小,体积增大.
在4℃以下,水的温度升高时,第二种效应占优势,水的密度增大,体积减小.
因此,水在4℃的时候,密度最大,这就是水的密度反常变化的原因.