地球上に存在する多くの物質は、液体から固体へと相転移する際に分子間の距離が縮まり、体積が収縮して密度が増加する。しかし、水はこの一般的な物理法則に従わない極めて特異な性質を持っている。水分子は、一つの酸素原子と二つの水素原子が共有結合によって結びついており、分子内で電荷の偏りが生じる強い極性分子である。この極性により、隣り合う水分子の酸素原子と水素原子の間に水素結合と呼ばれる比較的強い相互作用が発生する。液体の状態では、熱運動によって水分子同士が絶えず位置を変え、比較的無秩序に、かつ比較的密に集まっている。しかし、温度が下がり凝固点である0度以下になると、熱運動が弱まり、水素結合が最大限に形成されるようになる。この時、各水分子は周囲の四つの水分子と正四面体構造を形成し、これが規則正しく並ぶことで六角柱型の結晶構造を構築する。この結晶構造の内部には、液体状態のときよりも広い隙間が規則的に配置されることになる。その結果、固体である氷は液体である水よりも体積が約9パーセント増加し、単位体積あたりの質量、すなわち密度が減少するという異常な現象が発生するのである。
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