水在4°C 時，大多是三個分子蒂合在一起，分子間空隙最小，密度最大。0°C的水，大多是四個分子蒂合在一起，分子間空隙增大，密度降低。而結冰時，更多的分子蒂合在一起，空隙更大，密度更低。4°C以上的水，隨著溫度越高，分子蒂合程度越低，分子間空隙就越大，密度就越小。

曾經有一道益智題：生活中有一種常見的東西遵循冷脹熱縮，並且按那個冷脹熱縮還製造出了溫度計，那是什麼東西？答案是溫度計的空白部分。這個答案可以當做是腦筋急轉彎，不過熱脹冷縮只能算是一種較普遍的現象，不能算作普適的規律。有很多東西在某段溫度範圍內變化時會是冷脹熱縮，比如非常常見的水。

水的密度在4攝氏度時最大，規定此時水的密度為1克每立方厘米。從下圖水的密度變化圖中可以看出，在0至4攝氏度時，隨著溫度的升高，水的密度會增大，這就意味著在這段溫度範圍內水錶現出冷脹熱縮。

再回到題主的問題中，水結冰後由液態變為固態，這是發生了相變，這個過程體積會發生變化，水結冰體積大約要增加1/11。體積增大了，故裝水的礦泉水瓶會鼓起來。冬天北方的一些水龍頭或水錶可能就會因結冰而被撐破。

從微觀上看，液態的水和固態的水在分子排列上大不相同。液態的水具有流動性，分子間的空隙比較小。冰可以算作是晶體，內部分子的排列有著規律性，一個水分子依靠氫鍵和周圍的四個水分子結合在一起，這樣水分子間的空隙就會比液態時的空隙增大。故水結冰後體積會增大。

北方的冬天裡，可以觀察一下雪花或者窗戶上的冰花，把它們放大後就會發現那些冰花會是六角形。這就是由於水結成冰後水分子按一定的規律在空間排列，最終在宏觀上表現出特有的形狀。