由于水分子是極性很強(qiáng)的分子,能通過氫鍵結(jié)合成締合分子（多個(gè)水分子組合在一起）.液態(tài)水,除含有簡單的水分子(H2O)外,同時(shí)還含有締合分子,最典型的兩種是(H2O)2和(H2O)3,前者稱為雙分子締合水分子.物質(zhì)的密度由物質(zhì)內(nèi)分子的平均間距決定.當(dāng)溫度在0℃水未結(jié)冰時(shí),大多數(shù)水分子是以(H2O)3的締合分子存在,當(dāng)溫度升高到3.98℃(101kPa)時(shí)水分子多以雙分子締合水分子的形式存在（在水溫由0℃升至4℃的過程中,由締合水分子氫鍵斷裂引起水密度增大的作用,比由分子熱運(yùn)動(dòng)速度加快引起水密度減小的作用更大,所以在這個(gè)過程中,水的密度隨溫度的增高而加大.）,分子占據(jù)空間相對(duì)減小,此時(shí)水的密度最大.如果溫度再繼續(xù)升高在3.98℃以上,一般物質(zhì)熱脹冷縮的規(guī)律即占主導(dǎo)地位了.水溫降到0℃時(shí),水結(jié)成冰,水結(jié)冰時(shí)幾乎全部分子締合在一起成為一個(gè)巨大的締合分子,在冰中水分子的排布是每一個(gè)氧原子有四個(gè)氫原子為近鄰(兩個(gè)共價(jià)鍵,兩個(gè)氫鍵),這樣一種排布導(dǎo)致成一種敞開結(jié)構(gòu),也就是說冰的結(jié)構(gòu)中有較大的空隙,所以冰的密度反比同溫度的水小.