علت انبساط غیر عادی آب مربوط به وضع مولکولهای آب در حالت جامد و مایع آن است برای توضیح این پدیده لازم است که ساختمان مولکولی آب و نیز اتمهای سازنده آن بررسی شود.
هر مولکول آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن ( H2O) ترکیب شده است هر اتم اکسیژن دارای8 الکترون است. از این تعداد 2 الکترون بر سطح انرژی k=1 و6 الکترون برسطح انرژی L=2 با آرایش زیر قرار دارند:
هر اتم هیدروژن دارای یک الکترون ) 1S1) و زمانی که یک اتم اکسیژن با دو اتم هیدروژن پیوند می یابد مولکول قطبی آب را را ایجاد می کنند
زاویه پیوند در این مولکول حدود 105 ( 41 ، 104( و فاصله دو مرکز اتمهای اکسیژن و هیدروژن 99/0 آنگستروم است. در مولکولهای آب علاوه بر آنکه هیدروژن و اکسیژن بر هم نیرو وارد می کنند نیروهای الکتروستاتیکی هم در اثر وجود هیدروژن موجود است که سبب می شود هر ملکول آب با چهار ملکول مجاور خود پیوند یابد
( پیوند هیدروژنی ) و یک شبکه بلوری را ترتیب دهد. در یخ ملکولهای آب کاملا با یکدیگر پیوند یافته و حلقه های شش ضلعی به وجود می آورند. این شش ضلعیها همه به هم متصلند و ساختمان قفس مانند گسترده ای را در حجم یخ می سازن. فاصله بین دو اکسیژن مجاور 22 / 76 A است. وقتی یخ را حرارت دهیم در دمای ذوب، یخ به شبکه های کوچکتری شکسته می شود و اگر بتوان در لحظه کوتاهی از این تبدیل عکسبرداری کرد ، در عکس به نظر می رسد که یخی شکسته می شود و هر قسمت می تواند بر قسمت دیگر بلغزد. وقتی دما را به تدریج افزایش دهیم ، گرمایی که آن می گیرد ، سبب شکسته شدن پیوند بلوری و افزایش جنبش حرارتی می گردد. جنبش حرارتی بیشتر ، سبب افزایش حجم ماده می شود ، در صورتی که مولکولهایی که در شبکه بلوری در فاصله مشخصی از هم قرار داشتند ، در حالت مایع به هم نزدیکترند و حجم کمتری را اشغال می کنند.
باید توجه داشت که در دمای صفر درجه همه مولکولهای یخ از شبکه بلوری خارج نمی شوند و در اثر افزایش دما ، به تدریج شبکه بلوری شکسته می شود و مولکولها به هم نزدیکتر می شوند و همزمان ، جنبش مولکولی سبب افزایش حجم مایع می شود. دو عامل کاهش و افزایش حجم سبب می شود که تا دمای 4 درجه ، حجم آب به کمترین مقدار خود برسد و از آن پس ، با زیاد شدن جنبش مولکولی ، پدیده عادی افزایش حجم آب مشاهده می شود.
در هنگام سرد کردن آب تا دمای 4 درجه ، حجم کاهش می یابد ولی در فاصله 4 درجه تا 0 درجه به سبب تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکولها و تشکیل شبکه بلوری ، فاصله بین مولکولها زیادتر و در نتیجه حجم افزایش می یابد.
کاربرد انبساط آب :
کم بودن چگالی یخ نسبت به آب پیامدهای خطرناکی برای سلول های زنده دارد. هنگامی که بافتهای زنده منجمد می شوند، آب موجود درون سلولها بر اثر یخ زدن منبسط می شود. با انبساط آب، سلول می ترکد و از بین می رود. هر چه سرد شدن آهسته تر صورت گیرد، بلورهای یخ درشت تر می شود و سلولها هم آسیب بیشتری می بینند.
کارخانه های سازنده مواد غذایی منجمد ار این ویژگی آب استفاده می کنند و مواد غذایی را به سرعت منجمد می کنند. در این حالت بلورهای یخ بسیار کوچکی تشکیل می شود که به سلولهای ماده غذایی آسیب بسیار کم تری وارد می کند.
انحلال پذیری آب :
آب یکی از بهترین حلال هاست و تقریبا هر ماده ای را می تواند حل کند. آب روان سخت ترین سنگها را هم به تدریج حل می کند و مواد حل شده را به دریاها و اقیانوسها می برد. آب مواد غذایی مورد نیاز جانداران را نیز حل می کند. مواد غذایی موجود در خاک پس از حل شدن در آب ، به سلولهای گیاهان می رسند و سبب رشد آنها می شدند.
غذاهایی هم که انسان یا جانوران می خورند ، پس از حل شدن در آب جذب سلولهای بدن آنها می شوند. آب ، با اینکه بیشتر مواد را در خود حل می کند ، خنثی باقی می ماند .