水在4℃时密度最大这个现象也和氢键有关，当温度继续降低时，水分子开始重新形成氢键网络，逐渐向冰的结构过渡，所以体积反而会随着温度下降而膨胀，这说明氢键是冰分子变大的根本原因。
为什么水结冰后冰分子会变大？
当水结冰时，每个水分子的氢键都固定指向四个方向，形成定向有序的排列，这种有序结构使水分子之间保持较大距离，就像排队时故意保持间隔，最终导致冰分子体积显著增大。
冰的密度较小正是因为氢键形成的四面体结构存在大量空隙，这就像把篮球堆放在网兜里，虽然每个球体积不变，但整体占据的空间却会明显增加，这就是为什么冰分子看起来变大了。
这是因为水分子通过氢键形成了特殊的四面体晶体结构，这种敞开的松弛结构导致冰分子间的空间利用率只有约34%，就像用积木搭建有大量空隙的立体框架，所以整体体积会膨胀变大。
液态水中存在大量被拆散的氢键，水分子可以灵活移动填补空隙，但结冰后所有氢键重新连接成稳固的四面体网络，分子被固定在这种松散结构里，导致冰的体积比水增加约9%。