Question

能从化学的角度说明为什么冰的密度比水小？

为什么冰中的水分子间距比水中的水分子间距大？ 氢键在其中起到的影响是什么？

Answer 1

水分子间存在较强的氢键。水分子间通过氢键缔合成较大的水分子团
在液态水中，水分子通过缔合成的分子团比较小，通常是（H2O)2，（H2O)3，且都是平面结构，空间利用率很高，所以分子间的间隙也较小，排列的较紧密，使得总体积较小。

但当水结成冰时，水分子由于之间的氢键，内部是以一个水分子为中心，四个水分子将其抱住，呈现正四面体的空间结构，即缔合成的水分子团是（H2O）5，由于正四面体是一个立体结构，形如网状结构，内部有较大的空间没有被水分子占据，空间利用率很低，所以冰中的水分子间的间隙较大，排列的较松散，使得总体积较液态水大。
冰变成水是等质量变换，冰的体积大于液态水，所以冰的密度比水小。

那为什么水在4℃时的密度最大呢？
那是因为随着温度升高，由于受热，使分子的运动加剧，分子间的间隙会增大。就是说一方面水降温，缔合形成正四面体空间结构的水分子团增多，使得分子间间隙增大，另一方面降温，又会使水分子的运动减弱，分子间的间隙会减小。概括为降温，水分子缔合度高，分子间距大，但水分子运动减弱，分子间距小。
水分子间的缔合度和水分子的运动强弱两个因素决定了水分子的间距。
当温度为4℃时，达到平衡，就是说这两种效应使得水分子的间距最小。

一般说来，固态变成液态再变成气态都是体积逐渐增大的（因为只有分子的热运动一个因素），水之所以出现反常，正是因为内部氢键的作用。

Answer 2

用氢键的知识解释：H2O 分子间氢键很强, 以致于分子发生缔合 以(H2O)2、 (H2O)3形式存在, 而 (H2O)2 排列最紧密 4℃时, (H2O)2 比例最大 故 4℃ 时水的密度最大.

Answer 3

分子间的距离变大