私たちが暮らしている環境下（１気圧）で存在する氷は、水よりも密度が低く、水に浮かびます。しかし、圧力を数千から数万気圧まで高めると、日ごろ見慣れた氷とは構造の違う氷が現れてきます。現在、さまざまな圧力や温度帯で17種類程の氷が見つかっており、発見された順番に氷Ⅱ、氷Ⅲなどと名前が付けられています。
これらの高圧で現れる氷は、通常の氷（氷Ⅰ）よりも密度の高い構造の、水に沈む氷です。例えば、現在見つかっている中で一番重い（密度の高い）氷Ⅹは、氷Ⅰの結晶格子が２つ互いに入り込んだような構造になっていて、重さも氷Ⅰの２倍以上あります。
地球上では自然界には存在しない氷ですが、広い宇宙の中には、氷Ⅰ以外の「水に沈む氷」が自然に存在する星もあるかもしれませんね。

実は、地球上にあるほとんどの物質は、液体から固体に変わるとき、体積が減ります（密度が高くなる）。水のように固体になったときに体積の増える物質は、ビスマス（Bi）などごく少数しかないんですね。水や氷は私たちにとって最も身近なものですが、実は非常に特殊な物質なのです。この特殊性は、水分子同士の間に働いている「水素結合」の働きが大きな要因です。水分子は１個の酸素原子（０）と2個の水素原子（Ｈ）が結合してできた化合物で、写真① のような構造をしています。水分子のＯ－ＨとＯの間に働いているのが、水素結合です。
１個の水分子は、写真②のように４つの水素結合をつくることができます。この水素結合のために、水は分子量などの似た他の化合物に比べて、分子同士の結びつきが強くなり、沸点や融点が非常に高くなっています。

氷の結晶構造について、簡単に説明しましょう。
パチンコ玉など同じ大きさの球を、箱の中にできるだけすきまのないように詰めると、それぞれの球は12個の球に囲まれます。銅や亜鉛、銀などの金属は、このような結晶構造になっています。
それに対して氷の結晶では、それぞれの水分子は、正四面体の頂点に位置する４個の水分子に囲まれています。銅などの金属結晶と比べると、かなりすきまの多い構造といえますね。
この氷が溶けて水になると、水分子の熱運動が激しくなって結晶構造の一部が崩れ、結晶のすきまに水分子が入り込みます。水の構造は固定ではなく常に形を変えていますが、平均すると、それぞれの水分子は4.4個の水分子に囲まれています。0.4個分水の方が氷より密度が大きいので、氷は水に浮かぶのです。
もしも、氷が水よりも重かったらどうなるでしょう？　例えば、池や湖などの表面で凍った氷は、どんどん底の方に沈んでいき、全体が凍ってしまいますね。そうすると、水中の魚などは生きられなくなってしまいます。
この水と氷の特殊な性質のおかげで、私たち人間をはじめ、地球上の生命はさまざまな恩恵をうけているんですね。

氷をとかすには、大きなエネルギーが必要です。

氷がとけて水になるためには、実はかなりのエネルギーが必要です。0℃の氷1ｇをとかして0℃の水にするのに必要なエネルギーは、約80cal（約334Ｊ）。水1ｇの温度を1℃上げるのに必要なエネルギーが1calなので、それと比べると、氷をとかすためには、かなり大きなエネルギーが必要(※)だということがわかりますね。 　そのため、100℃のお湯に0℃の氷を入れると、お湯の持っている熱エネルギーの多くは、氷をとかすために使われてしまうので、100℃のお湯と0℃の水を混ぜた場合と比べて、温度が大幅に低くなるのです。つまり、「氷はとけるときに周りを冷やす働きがある」ともいえますね。

※この理由を説明するには、「物質の状態」がポイントになります。物質は、原子や分子など目に見えないたくさんの粒によってできています。また、物質の状態（気体か液体か固体か）は、物質をつくる粒の「動き回る度合い」によって決まります。固体は、物質をつくる粒の位置がほぼ固定されている状態なのに対し、液体は物質をつくる粒同士が互いに影響し合いながらも、動き回ることができる状態です。そして、粒が動き回るにはエネルギーが必要になります。つまり、氷（固体）が水（液体）になるときには、外からエネルギーを与えて、粒が動き回ることができる状態にする必要があるのです。
逆に、水(液体)が氷(固体)になるときには、余分のエネルギーが熱として放出されます。1gの水が氷になるときには、約80calのエネルギーが放出されます。過冷却状態（水が凍る瞬間を見てみよう 一気に凍る「過冷却」のひみつ(2)の「教えて！氷博士」 参照）の水が凍るときの温度変化を精密な温度計で測ってみると、－7～－8℃になっていた水が、凍っていくにしたがって温度が上がることがわかります。