水的反常膨胀是与水的分子结构有关。在凝固点以下，水分子以加强的氢键相互结合，形成结晶网络。随着温度的降低，水的分子运动减缓，使更多的氢键得以形成，从而结晶。当温度接近冰点时（0°C），由于水分子最稳定的结晶形式为六角形水晶，在结晶过程中，水分子会从液态状态转变为更疏松的六角形晶体结构，体积也随之增大，从而导致水的反常膨胀现象。

与此水分子的热运动能量也会影响水分子的排列。高温下，水分子的热运动能够克服氢键的连接力，导致分子间距增大，因此水的密度相对较小。低温下，由于水分子热运动能减小，分子间距减小，水的密度变大，由于水分子间的氢键增加，形成六角形结构，也导致水体积膨胀。

水的反常膨胀还与水分子的取向有关。在水的固态结构中，水分子的取向可能会随着结晶过程的温度变化而改变，从而导致水的体积随温度的变化产生反常膨胀现象。

水的反常膨胀是由水分子结构变化、热运动、取向等多种因素共同影响的结果。这种现象在自然界中得到了广泛的应用，如许多动物在冬季死亡前会将身体内水分拆分成单独的细胞，从而避免水冻结时产生的膨胀效应对细胞的损害。在人类生产和生活中，也需要注意水的反常膨胀现象对生产设备和建筑结构的影响。