水在结冰后分子间隙会变大吗?为什么?

题目

水在结冰后分子间隙会变大吗?为什么?
翻了半天,有说是水结冰后会有特殊的晶体,也有说是氢键改变,有说是因为空气.
所以到底哪个才是正确的解释,或者都不是.
我知道密度会变小,现在想问的是关于分子间距的问题.
请给一些有根有据的解释.

答案

水结冰体积变大的原因：
(1)液态水中水分子排布不规则,凝固后,排布变规则了,由于氢键的作用,水分子间形成四面体结构,使得水分子间的空隙变大,所以水变冰后体积增大.含氢键的无机物质主要有水、氨和氟化氢,他们在凝固时都变成空间多面体（水、氨为四面体,氟化氢为空间双链结构）,所以他们都会冷胀.有机化学中大部分含氧衍生物都可能有氢键,但是基于碳架的影响,其氢键形成情况会非常复杂.
(2)水凝固成冰,它的分子的平均动能会减小,但它本身为了阻碍这种变化,它的分子势能要增加,所以它的体积会增加.另外除了在0~4摄氏度是这样的,其它的温度,应遵循常理.温度变低,溶于水的气体的溶解度随温度的下降而变低,于是气体溢出,但在温度下降过程中,被结成的冰挡在里面,于是体积增大了（气体体积比液体大,这个大家都知道吧?!）
(3由于水分子是极性很强的分子,能通过氢键结合成缔合分子（多个水分子组合在一起）.液态水,除含有简单的水分子(H2O)外,同时还含有缔合分子,最典型的两种是(H2O)2和(H2O)3,前者称为双分子缔合水分子.物质的密度由物质内分子的平均间距决定.当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在,当温度升高到3.98℃(101kPa)时水分子多以双分子缔合水分子的形式存在（在水温由0℃升至4℃的过程中,由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用,比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大,所以在这个过程中,水的密度随温度的增高而加大.）,分子占据空间相对减小,此时水的密度最大.如果温度再继续升高在3.98℃以上,一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了.水温降到0℃时,水结成冰,水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子,在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键,两个氢键),这样一种排布导致成一种敞开结构,也就是说冰的结构中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小.)
(4)冰具有四面体的晶体结构.这个四面体是通过氢键形成的,是一个敞开式的松弛结构,因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完,在冰中氢键把这些四面体联系起来,成为一个整体.这种通过氢键形成的定向有序排列,空间利用率较小,约占34％、因此冰的密度较小.
水溶解时拆散了大量的氢键,使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”(即由氢键缔合形成的一些缔合分子),故冰水已经不象冰那样完全是有序排列了,而是有一定程度的无序排列,即水分子间的距离不象冰中那样固定,水分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去.这样分子间的空隙减少,密度就增大了.