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，此时水的最大水和冰的密度哪个大。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。
水分子间以氢键连接
另外，拆散缔合分子需要消耗一定的能量，这也足以说明水有较大的比热容的缘故。
水分子之间有氢键,冰是水分子全按氢键排列的.这种结构的水和游离的自由水都有而自由水分子会插入这种结构的缝隙中 这样同样的体积中水的水分子数量多于冰的 所以水的密度比冰大.
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