Sonra, donma sıcaklığına ulaşırlar ve madde katı hale gelir ki, bu durum da, onun biraz daha daralmasına neden olur. Çünkü kristal haldeki katılar, genelde sıkı biçimde paketlenmişlerdir.
Fakat su, bu konuda az sayıdaki istisnadan biridir. Sıvı su soğuduğu zaman, beklendiği gibi, yaklaşık 4 derecelik bir sıcaklığa değin daralır. Bundan sonra, donma noktasına erişinciye dek hafifçe genişler ve akabinde, donduğu zaman yaklaşık %9 oranında genişler.
Bu olağandışı davranış, su molekülünün yapısından kaynaklanıyor. Hidrojen atomlarının ağ oluşturma hususunda güçlü bir eğilimleri vardır; burada her hidrojen atomu, iki oksijen atomu arasında yer alan bir hatta bulunur. Hidrojenlerin bu bağ oluşturma eğilimi, sıcaklık azaldıkça kuvvetlenir. Zira hidrojen bağlarını titreştirip yerinden çıkaracak termal enerji miktarı daha azdır. Buzun yapısı, tümüyle hidrojen bağlıdır ve bu bağlar, aşağıdaki resimde gösterildiği gibi, kristal yapıyı çok 'açık' olmaya zorlar.
Aşağıdaki 2 resimden birincisi, sıvı suyun kendine has niteliğini gösterirken; ikincisi, bir buz yapısını gösteriyor. (Buzda bulunan fazladan açık alana dikkat edin.)
Buzun sıvı sudan daha az yoğun olmasına neden olan şey, bu açık katı yapıdır. Bu yüzden buz suyun üzerinde yüzer; ki hepimiz buna minnettar olmalıyız. Çünkü eğer su 'normal biçimde' davransaydı, kış mevsiminde pek çok su birikintisi donup katı hale gelir ve içerisindeki tüm yaşamı yok ederdi.
Suyun 'en yüksek yoğunluğu' da aynı olgunun ürünüdür. Donma noktasına yakın olan su molekülleri, yerel olarak buz benzeri yapılar halinde dizilmeye başlarlar. Bu durum, sıvı suda bir miktar 'açıklık' yaratır ve suyun yoğunluğunu azaltma eğilimi gösterir.
Soğumanın normalde yoğunluğu artırma eğilimi, bu duruma zıtlık oluşturur; söz konusu zıtlık eğilimleri de yaklaşık 4 derecede dengelenir ve 'en fazla yoğunluk' oluşur.