0℃水结成冰时，全部分子缔合在一起成为从而形成一个巨大的群体。在冰的结构中，每个氧原子与4个氢原子相连接而成四面体，每个氢原子与两个氧原子相连结。即氧原子的四个键(两个共价键，两个氢键)，指向一个四面体的四个顶点，每个水分子都被四个水分子所包围，如图2所示。由于氢键基本上还是属于静电吸引作用，它的键能比化学键的键能要小得多，但和分子间作用力的数量级相近，所以通常说氢键是较强的有方向的分子间作用力。但氢键与一般分子间作用力不同，它具有饱和性和方向性。因此，冰是一种很不紧凑的结构，内部具有相当大的空。当冰熔解时，一些氢键被破坏，四面体结构被瓦解，水分子可以比较紧密地堆积在一起，因此，冰在熔解时体积要缩小。
科学家用X射线研究接近0℃水的结构时，证实在液态水中存在着非常小的冰晶体，这些微小的冰晶具有像普通冰一样的结晶学上的结构。根据推算，在接近0℃的水中大约有0.6%的冰晶体。当温度逐渐升高时，这些冰晶体逐渐被破坏，引起了体积的减小，致使密度增大。
而在温度4℃上下，水中有两种使密度发生改变的效应：一是由于温度升高，液态水的分子热运动加剧，分子间的平均距离增大，致使水的密度减小；另一种是由于温度升高，水中所含有的冰晶体逐渐熔解，分子间的平均距离减小，致使密度增大。在1大气压（101.325千帕）下，水温低于4℃前，后一种效应占优势；而水温高于4℃后，前一种效应占优势。所以水在4℃密度最大。
水的这种特性给人们的日常生活造成一些损失，例如水结冰时体积膨胀所产生的力量，足以把水管、水泥制件等撑破。当然，也能给人类带来好处，特别是在保护鱼类和其他水中生物方面。
来源：科普中国
