都说水是自然界里特别的存在，水有一个神奇的性质，会在4℃以下发生反常膨胀。往期问答我们已经给出了热缩冷胀的解释，今天我们来解释反常温度为什么是4℃。这个事情需要从冰谈起，在一个标准大气压下（下同），0℃时，水这种物质有3种形态：冰、冰水混合物、液态水，给0℃的冰持续提供能量，可以变为0℃的冰水混合物，并最终变为0℃的水，如果继续提供能量，水的温度会升高。
此外，水分子之间相互存在着一种叫做“氢键”的相互作用，它具有方向性，使得水分子的排列具有一定的距离和相对方位。当水结成冰以后，水分子之间相互以氢键相连，形成冰晶格。由于氢键具有方向性，水分子之间排列地很“规矩”，就像大家体育课的热身操一样，需要保持至少两臂的距离，否则做热身操会打到对方，相互之间有着很大的空隙（如下图），导致了（相同质量）冰的体积更大。
冰的熔化热为6.02kJ/mol[1]，氢键的键能（即断裂1mol氢键所需要的能量）为18.8kJ/mol[2]，断裂冰中氢键所需要的能量是熔化冰所需能量的3倍还多，说明0℃的水中存在大量的氢键。这些氢键使得水分子抱团，但是各个集团之间可以相互跑动，类似热身操结束，大家开始小组游戏，小组内依然保持合适的距离，但不同小组玩的游戏不同，小组之间没有距离限制，可以离的近一些，于是体积缩小。
继续注入能量，水开始升温，抱团的水分子之间的氢键也开始断裂，就像分为更小的小组，于是体积进一步减小。但是温度升高，水分子的热运动也加剧，类似天气很热，大家不想扎堆，这种因素带来体积的增大。热运动加剧和氢键进一步断裂两种影响相互竞争，在4℃时候两种影响达到平衡：4℃以下，氢键影响更大，热缩冷胀；4℃以上，热运动影响更大，热胀冷缩。
数据来源：[1]：Molar Heat of Fusion[2]：人教版，高中化学选修3课本，P49