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水变成冰体积变大，是因为液态水中水分子之间存在着较强的氢键作用力。它比分子间的作用力（范得瓦耳斯力）大得多。当水处于液态时，在氢键力的作用下，水分子靠近，在宏观上就表现为体积小。而变为固体时，水变为晶体，分子排列有了规律，氢键的作用力削弱，宏观的表现为体积变大。
水变成冰体积变大的原因
由于水分子是极性很强的分子，能通过氢键结合成缔合分子（多个水分子组合在一起）。液态水，除含有简单的水分子外，同时还含有缔合分子，最典型的两种是(H₂O)₂和(H₂O)₃，前者称为双分子缔合水分子。物质的密度由物质内分子的平均间距决定。
当温度在0℃水未结冰时，大多数水分子是以(H₂O)₃的缔合分子存在，当温度升高3.98℃(101kPa)时水分子多以双分子缔合水分子的形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。如果温度再继续升高在3.98℃以上，一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。
在水温由0℃升至4℃的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大。
水温降到0℃时，水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键，两个氢键)，这样一种排布导致成一种敞开结构，也就是说冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。
水结冰的过程
水结冰其实是一种结晶的现象，结晶首先需要有凝结核，然后凝结核不断长大，最终长成大块晶体。其实水结冰的过程并不简单，不是说温度降低到0℃，水就会结冰的，还需要水中含有一些小微粒，作为水分子刚开始结冰时的附着物，水中含有的这种小微粒又叫晶核。
水分子的排列往往让氧原子朝外，氢原子朝内，而氧原子略带负电，因此喜欢周围是正电的环境。如周围的环境带正电，温度又是低于0℃，那么水就容易结冰，不管水中有没有晶核。
在更高的温度下开始结冰过程，水分子还需要一些其他的东西，比如灰尘、煤烟或其他杂质，这样水分子就可以在上面形成晶格，这就是成核的过程。