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얼음 결정은 수소결합에 의해 연결된 물분자로 구성되어 있다. 수소결합은 각 물분자의 수소원자와 다른 분자의 산소원자 사이의 인력에 의해 형성되며 각 분자는 자기를 둘러싼 4면체 꼭지점의 위치에 해당하는 4개의 인접 분자와 결합을 형성한다.

4면체가 정렬하여 물분자들이 주름진 6각 고리를 형성하게 되며 분자 수준에서의 이러한 6각 모양이 얼음 결정의 6각 대칭성을 야기한다. 분자들의 6각 고리가 옆으로 결합하여 주름진 육각형 층을 이루며 이 층은 육각형의 축에 수직이다.

물분자는 구부러진 모양을 하고 있으며 수증기나 얼음에서도 거의 같은 모양을 갖는다. 이때문에 한 분자 내의 2개의 수소 원자가 결합을 이루고 있는 인접한 4개의 분자 중 어느 2개를 향하는 것도 가능하다. 따라서 물분자 각각은 6개의 다른 방향을 가질 수 있다. 방향을 선택하는 것은 통계적으로 동일한 확률을 가지고 일어나며 이때 유일한 제한 조건은 각 결합 사이에 하나의 수소만이 존재하여 어느 수소결합도 깨어지지 않도록 이웃하는 분자들이 각자의 방향을 조정해주어야 한다는 점이다.

분자 방향에 있어서 이러한 통계적 무질서는 얼음의 물리적 성질에 지대한 영향을 미치고, 절대 영도(－273.15℃)에서도 엔트로피가 0이 아닌 어떤 값을 갖게 한다. 이러한 얼음의 구조 때문에 대부분의 무기 이온이나 유기 분자는 결합을 할 수 있는 적절한 환경이나 장소를 얼음 구조 내에 가지지 못한다. 이때문에 여러 이물질이 포함된 물을 얼려서 만든 얼음이 용액 그 자체보다 훨씬 순수하게 되며 이것이 바닷물의 탈염방법(脫鹽方法) 중 냉동법의 기본원리이다.