熱力学において、物質が液体から固体へと変化する際の体積変化を理解することは基礎的な課題である。鉄、鉛、あるいはパラフィンワックスといった大半の物質は、凝固にともなって分子や原子の熱運動が低下し、互いの距離を最も縮めた状態で密に充填されるため、例外なく体積が収縮する。固体が液体の中に沈むのは、この密度の増加に起因する自然な現象である。これに対して、水だけが凝固にともなって明確に体積を膨張させるのは、前述の通り水素結合の方向性が結晶格子の空間的広がりを強制するためである。このような特異な相転移挙動を示す物質は極めて稀であり、他にはビスマスやガリウム、一部の鋳鉄などの限られた金属元素や合金に見られるのみである。これらの物質は自由電子や共有結合の性質により結晶時に特殊な隙間を生じるが、日常的に大量に存在する液体の中で、このような性質を持つものは実質的に水だけである。水の持つこの異常性は、分子量から予測される沸点や融点の高さ、比熱の大きさなどとともに、水が持つ数多くの異常性の一つに位置づけられており、物質科学における重要な研究対象であり続けている。
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