由于水分子间有氢键缔合这样的特殊结构所决定的.根据近代X射线的研究,证明了冰具有四面体的晶体结构.这个四面体是通过氢键形成的,是一个敞开式的松弛结构,因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完,在冰中氢键把这些四面体联系起来,成为一个整体.这种通过氢键形成的定向有序排列,空间利用率较小,约占34％、因此冰的密度较小,约为摄氏4度是液态水的9/10.
水溶解时拆散了大量的氢键,使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子集团”(即由氢键缔合形成的一些缔合分子),故液态水已经不象冰那样完全是有序排列了,而是有一定程度的无序排列,即水分子间的距离不象冰中那样固定,H2O分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去.这样分子间的空隙减少,密度相对冰就增大了.
温度升高时,水分子的四面体集团不断被破坏,分子无序排列增多,使密度增大.但同时,分子间的热运动也增加了分子间的距离,使密度又减小.这两个矛盾的因素在4℃时达到平衡,因此,在4℃时水的密度最大.过了4℃后,分子的热运动使分子间的距离增大的因素,就占优势了,水的密度又开始减小.