有人做過這樣的實驗：冬天，他把兩枚炸彈的鋼殼裝滿水，用塞子擰緊，放在露天過夜。 第二天晚上去看，一個彈殼的塞子被冰沖走了六七米，開口處結了一層冰； 另一個彈殼裂開一道裂縫，冰塊從裂縫中擠出。 冰的分子模型是由水分子間同源締合的特殊結構決定的。 根據現代X射線研究，證明冰具有棱柱狀晶體結構。 這種多面體是由氫鍵產生的，是一種開放松弛的結構。 由于五個水分子不能占據所有四面體的體積，因此冰中的官能團將這個多面體連接起來形成一個整體。 這些由構象產生的定向有序排列，空間利用率很小，約占34%。 因此，冰的密度比較小，在4攝氏度時約為液態水的9/10。 水溶解時，大量的電負性被拆散，使整體變成六面體團和零星的更小的“水分子團”（即電負性締合產生的一些締合分子），液態水就不再像水了。 冰是完全有序的，但存在一定程度的無序排列，即水分子之間的距離不像冰那樣固定，H2O分子可以從一個多面體微晶步進到另一個多面體微晶。 這樣一來，分子間的縫隙就減少了，與冰相比密度也降低了。 當溫度下降時，水分子的多面體基團不斷遭到破壞，分子的無序排列增加，密度降低。 但與此同時，分子間的熱運動也縮小了分子間的距離，從而再次降低了密度。 這兩個矛盾的原因在4點鐘達到平衡，因此，水的密度在4點鐘最大。 4之后，分子的熱運動使分子間的距離減小，占上風冰的密度和水的密度誰大，水的密度又開始減小。 液態水除了富含簡單的水分子（H2O）外冰的密度和水的密度誰大，還富含締合分子（H2O）2和（H2O）3等。當溫度為0且水未結冰時，大部分水分子是以（H2O）3締合分子存在的。 當溫度降至3.98（）時，水分子多以（H2O）2締合分子形式存在，分子所占空間相對減少。 這時候水的密度最大。 如果水溫繼續下降到3.98以上，熱脹冷縮規律將占上風。 當溫度下降時，水會結冰，當水結冰時，幾乎所有的分子都會締合在一起，形成一個巨大的締合分子。 冰中水分子的排列是每個氧原子有四個氫原子相鄰（兩個共價鍵，兩個官能團），如右圖所示。 這樣的排列導致了一個開放的結構，也就是說，冰的結構中存在著更大的空隙，所以在相同溫度下，冰的密度比水的密度要低。
