有人做过这样的实验：冬天，他把两枚炸弹的钢壳装满水，用塞子拧紧，放在露天过夜。 第二天晚上去看，一个弹壳的塞子被冰冲走了六七米，开口处结了一层冰； 另一个弹壳裂开一道裂缝，冰块从裂缝中挤出。 冰的分子模型是由水分子间同源缔合的特殊结构决定的。 根据现代X射线研究，证明冰具有棱柱状晶体结构。 这种多面体是由氢键产生的，是一种开放松弛的结构。 由于五个水分子不能占据所有四面体的体积，因此冰中的官能团将这个多面体连接起来形成一个整体。 这些由构象产生的定向有序排列，空间利用率很小，约占34%。 因此，冰的密度比较小，在4摄氏度时约为液态水的9/10。 水溶解时，大量的电负性被拆散，使整体变成六面体团和零星的更小的“水分子团”（即电负性缔合产生的一些缔合分子），液态水就不再像水了。 冰是完全有序的，但存在一定程度的无序排列，即水分子之间的距离不像冰那样固定，H2O分子可以从一个多面体微晶步进到另一个多面体微晶。 这样一来，分子间的缝隙就减少了，与冰相比密度也降低了。 当温度下降时，水分子的多面体基团不断遭到破坏，分子的无序排列增加，密度降低。 但与此同时，分子间的热运动也缩小了分子间的距离，从而再次降低了密度。 这两个矛盾的原因在4点钟达到平衡，因此，水的密度在4点钟最大。 4之后，分子的热运动使分子间的距离减小，占上风冰的密度和水的密度谁大，水的密度又开始减小。 液态水除了富含简单的水分子（H2O）外冰的密度和水的密度谁大，还富含缔合分子（H2O）2和（H2O）3等。当温度为0且水未结冰时，大部分水分子是以（H2O）3缔合分子存在的。 当温度降至3.98（）时，水分子多以（H2O）2缔合分子形式存在，分子所占空间相对减少。 这时候水的密度最大。 如果水温继续下降到3.98以上，热胀冷缩规律将占上风。 当温度下降时，水会结冰，当水结冰时，几乎所有的分子都会缔合在一起，形成一个巨大的缔合分子。 冰中水分子的排列是每个氧原子有四个氢原子相邻（两个共价键，两个官能团），如右图所示。 这样的排列导致了一个开放的结构，也就是说，冰的结构中存在着更大的空隙，所以在相同温度下，冰的密度比水的密度要低。
