物质的密度由物质内分子的平均间距决定。对于水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后 形成的缔合水分子的分子平均间距变大，所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合的单个水分子个数决定。具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的 热运动两个因素决定。当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱；当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。综合考虑两个因素的影响，便可 得知水的密度变化规律。在水中，常温下有大约50%的单个水分子组合为缔合水分子，其中双分子缔合水分子最稳定。 多个水分子组合时，除了呈六角形外（如雪花、窗花），还可能形成立体形点阵结构（属六方晶 系）。每一个水分子都通过氢键，与周围四个水分子组合在一起。图中只画出了中央一个水分子同周围水分子的组合情况。边缘的四个水分子也按照同样的规律再与 其他的水分子组合，形成一个多分子的缔合水分子。缔合水分子中，每一个氧原子周围都有——4个氢原子，其中两个氢原子较近一些，与氧原子之间是共价键，组 成水分子；另外两个氢原子属于其他水分子，靠氢键与这个水分子组合在一起。可以看出，这种多个分子组合成的缔合水分子中的水分子排列得比较松散，分子的间 距比较大。由于氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化。一是缔合水分子中的各单个分子排列有序，二是各分子间的 距离变大。在液态水变成固态水时，即水凝固成冰、雪、霜时，呈现出缔合水分子的形状。此时，水分子的排列比较“松散”，雪、冰的密度比较小。将冰熔化成水，缔合水分子中的一些氢键断裂，冰的晶体消失。0℃的水与0℃的冰相比，缔合水分子中的单个水分子数目减少，分子的间距变小、空隙减少，所以0℃的水比0℃的冰密度大。用伦琴射线照 射0℃的水，发现只有15%的氢键断裂，水中仍然存在有约85%的微小冰晶体（即大的缔合水分子）。若继续加热0℃的水，随着水温度的升高，大的缔合水分 子逐渐瓦解，变为三分子缔合水分子、双分子缔合水分子或单个水分子。这些小的缔合水分子或单个水分子，受氢链的影响较小，可以任意排列和运动，不必形成 “缕空”结构，而且单个水分子还可以“嵌入”大的缔合水分子中间。在水温升高的过程中，一方面，缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐加大， 水分子的堆集程度（或密集程度）逐渐加大，水的密度也随之加大。另一方面在这个过程中，随着温度的升高，水分子的运动速度加快，使得分子的平均距离加大， 密度减小。考虑水密度随温度变化的规律时，应当综合考虑两种因素的影响。在水温由0℃升至4℃的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由 分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大，为反常膨胀。水温超过4℃时，同样应当考虑缔合水分子中的氢键断裂、水分子运动速度加快这两个因素，综合分析它们对水密度的影响。由于在水温比较高的时候，水中缔合数 大的缔合水分子数目比较小，氢键断裂所造成水密度增加的影响较小，水密度的变化主要受分子热运动速度加快的影响，所以在水温由4℃继续升高的过程中，水的 密度随温度升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。在4℃时，水中双分子缔合水分子的比例最大，水分子的间距最小，水的密度最大。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，此时水的密度最大。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）。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。
一般是木头一类轻的物体浮在水面。那么请问，所谓轻的物体是和什么相比较，来判定它的轻重呢?木头再轻，一定不会比棉花轻吧。有一个猜谜题：l千克铁和1千克棉花哪一个轻?如果对物体的轻重只有模糊的概念，一定会回答：棉花轻。正确的回答是两者一样重：它们的重量都是1千克。要比较物体的轻重，就必须量一量这些物体体积相同时所具有的重量。立方厘米水的重量和相同体积的1立方厘米物体重量相比较，物体的重量比水轻就浮在水面上。如果这个物体比水重，就往下沉。冰浮在水面上也是同样的道理。立方厘米水和1立方厘米冰比较，冰比较轻。1立方厘米的水重量是1克，而1立方厘米的冰的重量只有0.9克。一种物质具有固体、液体两种形态的时候，一般地说，同体积的固体比液体重;但是，水的情况正相反，水成固体状态时反而轻。这是因为水冻成冰的时候，体积增大了10%。冬天，水管冻裂也是由于这个原因。冰比水轻，因此浮在水面。
液态水中水分子排布不规则，凝固后，排布变规则了，由于氢键的作用，水分子间形成四面体结构，使得水分子间的空隙变大，所以水变冰后体积增大。相同质量，体积越大，密度越小，所以导致冰的密度比水小。水的这种特性称之为反常膨胀浮力的定义式为F浮=G排(即物体浮力等于物体下沉时排开液体的重力)，计算可用它推导出公式F浮=ρ液gV排（ρ液：液体密度，单位千克/立方米；参照物质密度表可知，在常温常压下，水的密度为（4℃）1.00.9g/cm³，冰的密度为0.9g/cm³，密度与浮力关系：ρ物体<ρ水，物体漂浮（上浮）ρ物体= ρ水，物体悬浮ρ物体>ρ水，物体沉底（下沉）因为冰的密度比水小，根据密度与浮力关系可知，冰会浮在水面上。