Bir buz kristali, bir moleküldeki hidrojen atomları ile başka bir molekülün oksijen atomları arasındaki çekim kuvvetlerinden doğan hidrojen bağlarıyla birbirine bağlanmış su moleküllerinden oluşur. Her molekül, çevresindeki dörtgenin köşelerinden dört komşu moleküle bağlanır. Dörtgenler biçimindeki bu diziliş su moleküllerinin altıgen zincirlerini büzer ve yan yana dizilen altıgen molekül zincirleri, altıgenin eksenine dik olarak uzanan büzülüp kırışmış altıgen katmanlar oluşturur.

Su molekülünün buharda ve buzda ayrı olan eğrilmiş biçimi nedeniyle, her molekülündeki 2 hidrojen atomu, komşu 4 atomdan ikisine doğru yönelerek bunlara bağlanır. Sonuç olarak her su molekülü değişik yönelme durumundan herhangi birine olabilir. Bu durumların gerçekleşme olasılığı, komşu moleküllerin, her bir bağda tek bir hidrojen atomu bulunacak ve böylece hiçbir hidrojen bağı kopmayacak biçimde yönelmesi koşuluyla, istatistiksel olarak eşittir. Böyle bir istatistiksel düzensizlik buzun fiziksel özelliklerini büyük ölçüde etkiler ve buz kristalinin, mutlak sıfır noktasında ( - 273,15 °C ) yok olmayan bir entropi kazanmasına yol açar.

Buzun yapısı bilinen inorganik iyonların ve organik moleküllerin bağlanması için pek elverişli değildir. Bu nedenle, sulu bir çözeltinin dondurulmasıyla elde edilen buz, çözeltiden daha saftır. Deniz suyunun dondurularak tuzdan arıtılması yöntemi de bu temele dayanır.

Su molekülleri sıcaklığın düşmesi sonucu doğal yapıları gereği kristaller halinde dizilmeye başlar. Böylece birbirine yaklaşarak bir çekim gücü yaratılması sonucu hegzagonal (altı yüzlü kristaller) oluşmaya başlar. Bu kristaller zincir, gibi birbirlerine bağlanmışlardır. Bu durumda moleküller altıgen bir prizma görünümündedir ve bir eksen boyunca dizilmişlerdir.(Optik eksen) iki buz kristalinin merkezleri arasındaki uzaklık 3 A kadardır. Böylece eksenin l mikronluk uzunluğu üzerinde 3000 molekül bulun maktadır. l mikron küp boyutundaki bu kristalin içindeki molekül sayısı ise 27 milyondur. Suyun kristal oluşumu ile buz haline geçişi sırasında, boyutsal değişimlere de yol açar. Saf su, buza dönüşürken hacminin % 9 u oranında büyür. Gıdaların dondurulması sırasında hacim genişlemesi ise % 6 kadardır. Çünkü gıdalarda büyük oranda suyun yanında hava boşlukları da bulunmaktadır.

Suyun donmaya geçişi sırasında merkezden başlayan kristalleşme başlıca üç ayrı tipte sınıflandırılır.

a. Su molekülleri donma sırasında yeterli zaman bulursa düzgün altıgen kristaller haline dönüşür.

b. Eğer bu durum hızlandırılırsa, kristaller gelişigüzel yapıda ve eksen üzerinde düzgün olmayan bir şekilde olunmaya başlar ve dallanma görülür. Ancak hu dallar 600 lik muntazam açılar meydana getirirler.

c. Çok hızlı soğutma durumunda ise, yine merkezden oluşmaya başlayan ok şeklinde buz kristalleri görülür, dallanma yoktur, küçük ince çubuklar halindeki kristaller saydamdır. Bu üçüncü özellik gıdaların dondurularak muhafazasında kullanılır. Yavaş dondurma sırasında oluşan büyük buz kristalleri hücre dokularını parçalar. Çözünme sırasında yapısı bozulmuş olan gıda enzim ve organizmaların hücumuna karşı direnç gösteremez.

Buz, eridiği zaman yapısının intizamı çok az bozulur, fakat tamamen ortadan kalkmaz. Erime noktasının yakınındaki sıcaklıklar da, oksijen atomlarının halâ buzda olduğu gibi dört hidrojenle tetrahenral olarak çevrelendiği görülmektedir. Yalnız tetrahedral yapı çok gayri muntazamdır ve devamlı değişir. Herhangi bir andaki yapıda altıgen şekildeki yapıda bazı boşluklar çökmüş ve daha sıkı bir yapı meydana gelmiştir.

Sıcaklık C Fiziksel durumu yoğunluk (g/ml)
0 Katı 0.917
0 Sıvı 0,9998
3,98 Sıvı 1,0000
10,0 Sıvı 0,9997
25,0 Sıvı 0,9971
100,0 Sıvı 0,9584 Tablodan da anlaşılacağı gibi su buzdan daha yoğundur . Suyun en yoğun olduğu sıcaklığın 3,98 C0 olduğu da görülür. Bu şöyle açıklanabilir; Buz eridiği zaman yapısının bozulmasıyla yoğunluğu artar. Sıcaklık yükseldikçe yapının bozulması devam eder. Ama belirli bir sıcaklıktan sonra buna karşı olan bir tesir belirir. Bu tesir sıcaklığın yükselmesiyle artan, moleküllerin kinetik enerjileridir. Bunun neticesi, hidrojen bağları kopar ve moleküller arası ortalama uzaklık büyür. Bu 3,98 C nin üstünde çok belirgin hale gelir. 3,96 C nin altında buz yapısının çökmesi çok önemlidir