通常、物質は、気体から液体、液体から固体に変わっていくにしたがって、粒子どうしのすき間が狭くなり、体積が小さくなります。ところが、水が固体になる、すなわち氷になるときにはほかの物質とは違って、体積が大きくなるという現象が起こるのです。

　水分子（H2O）は2個の水素原子と1個の酸素原子でできていて、それぞれの原子を頂点とする二等辺三角形をしています。氷の状態になると、すべての水分子は、水素結合により一つの水分子を中心とする正四面体（辺の長さが等しい三角錐）の各頂点に合計4個の水分子が配置され、それが繰り返されてどんどん連なっていくという構造を形成します。これはすき間が多い、言いかえれば水の状態よりも体積が大きい（密度が小さい）構造です。つまり、水と氷では氷のほうが密度が小さいので、氷は水に浮かぶのです。逆に、氷が水になるときには水素結合の一部が切断されて構造のすき間に水分子が入り込み、同じ質量であってもその体積は減少し、密度は増大します。