水在4℃時密度zui大，是由于水分子間有氫鍵締合這樣的特殊結構所決定的。根據近代X射線的研究，證明了冰具有四面體的晶體結構。這個四面體是通過氫鍵形成的，是一個敞開式的松弛結構，因為五個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，成為一個整體。這種通過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。

水溶解時拆散了大量的氫鍵，使整體化為四面體集團和零星的較小的“水分子集團”(即由氫鍵締合形成的一些締合分子)，故液態水已經不象冰那樣*是有序排列了，而是有一定程度的無序排列，即水分子間的距離不象冰中那樣固定，H₂O分子可以由一個四面體的微晶進入另一微晶中去。這樣分子間的空隙減少，密度就增大了。

溫度升高時，水分子的四面體集團不斷被破壞，分子無序排列增多，使密度增大。但同時，分子間的熱運動也增加了分子間的距離，使密度又減小。這兩個矛盾的因素在4℃時達到平衡，因此，在4℃時水的密度zui大。過了4℃后，分子的熱運動使分子間的距離增大的因素，就占優勢了，水的密度又開始減小。