有人做過這樣的實(shí)驗(yàn)：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(gè)彈殼的塞子被冰沖走了六七米，開口處結(jié)了一層冰； 另一個(gè)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(jié)構(gòu)決定的。 根據(jù)現(xiàn)代X射線研究，證明冰具有棱柱狀晶體結(jié)構(gòu)。 這種多面體是由氫鍵產(chǎn)生的，是一種開放松弛的結(jié)構(gòu)。 由于五個(gè)水分子不能占據(jù)所有四面體的體積，因此冰中的官能團(tuán)將這個(gè)多面體連接起來形成一個(gè)整體。 這些由構(gòu)象產(chǎn)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(shí)約為液態(tài)水的9/10。 水溶解時(shí)，大量的電負(fù)性被拆散，使整體變成六面體團(tuán)和零星的更小的“水分子團(tuán)”（即電負(fù)性締合產(chǎn)生的一些締合分子），液態(tài)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(gè)多面體微晶步進(jìn)到另一個(gè)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(dāng)溫度下降時(shí)，水分子的多面體基團(tuán)不斷遭到破壞，分子的無序排列增加，密度降低。 但與此同時(shí)，分子間的熱運(yùn)動(dòng)也縮小了分子間的距離，從而再次降低了密度。 這兩個(gè)矛盾的原因在4點(diǎn)鐘達(dá)到平衡，因此，水的密度在4點(diǎn)鐘最大。 4之后，分子的熱運(yùn)動(dòng)使分子間的距離減小，占上風(fēng)冰的密度和水的密度誰大，水的密度又開始減小。 液態(tài)水除了富含簡(jiǎn)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(dāng)溫度為0且水未結(jié)冰時(shí)，大部分水分子是以（H2O）3締合分子存在的。 當(dāng)溫度降至3.98（）時(shí)，水分子多以（H2O）2締合分子形式存在，分子所占空間相對(duì)減少。 這時(shí)候水的密度最大。 如果水溫繼續(xù)下降到3.98以上，熱脹冷縮規(guī)律將占上風(fēng)。 當(dāng)溫度下降時(shí)，水會(huì)結(jié)冰，當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，幾乎所有的分子都會(huì)締合在一起，形成一個(gè)巨大的締合分子。 冰中水分子的排列是每個(gè)氧原子有四個(gè)氫原子相鄰（兩個(gè)共價(jià)鍵，兩個(gè)官能團(tuán)），如右圖所示。 這樣的排列導(dǎo)致了一個(gè)開放的結(jié)構(gòu)，也就是說，冰的結(jié)構(gòu)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。
