水在4℃時(shí)密度zui大，是由于水分子間有氫鍵締合這樣的特殊結(jié)構(gòu)所決定的。根據(jù)近代X射線的研究，證明了冰具有四面體的晶體結(jié)構(gòu)。這個(gè)四面體是通過(guò)氫鍵形成的，是一個(gè)敞開式的松弛結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲鍌€(gè)水分子不能把全部四面體的體積占完，在冰中氫鍵把這些四面體起來(lái)，成為一個(gè)整體。這種通過(guò)氫鍵形成的定向有序排列，空間利用率較小，約占34％、因此冰的密度較小。

水溶解時(shí)拆散了大量的氫鍵，使整體化為四面體集團(tuán)和零星的較小的“水分子集團(tuán)”(即由氫鍵締合形成的一些締合分子)，故液態(tài)水已經(jīng)不象冰那樣*是有序排列了，而是有一定程度的無(wú)序排列，即水分子間的距離不象冰中那樣固定，H₂O分子可以由一個(gè)四面體的微晶進(jìn)入另一微晶中去。這樣分子間的空隙減少，密度就增大了。

溫度升高時(shí)，水分子的四面體集團(tuán)不斷被破壞，分子無(wú)序排列增多，使密度增大。但同時(shí)，分子間的熱運(yùn)動(dòng)也增加了分子間的距離，使密度又減小。這兩個(gè)矛盾的因素在4℃時(shí)達(dá)到平衡，因此，在4℃時(shí)水的密度zui大。過(guò)了4℃后，分子的熱運(yùn)動(dòng)使分子間的距離增大的因素，就占優(yōu)勢(shì)了，水的密度又開始減小。