液态水,除含有简单的水分子（H2O）外,同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等,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 ℃（101 kPa）时,水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在,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）,如下图所示.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.