冰的密度比水小的主要原因在于水分子在结冰过程中发生的结构变化。以下是详细解释：
氢键作用：
水分子之间存在较强的氢键作用。在液态水中，水分子通过氢键缔合成较大的分子团，如（H2O）2和（H2O）3，这些分子团的空间利用率较高，排列紧密，因此液态水的密度较大。
结冰过程：
当水结成冰时，水分子之间的氢键作用导致它们以一种开放式的四面体结构排列。具体来说，每个水分子通过氢键与其他四个水分子相连，形成一个正四面体的空间结构（（H2O）5）。这种排列方式导致冰中的水分子之间有较大的空隙，排列较为松散，因此冰的体积比同质量的液态水大。
空间利用率：
由于冰的分子排列较为松散，其空间利用率较低，大约只有34%左右。这种低空间利用率使得冰的体积较大，密度较小。
温度影响：
随着温度的升高，水分子的热运动加剧，分子间的间隙增大，密度减小。然而，在4℃时，由于水分子的四面体结构达到最紧密的排列，水的密度达到最大。当温度继续升高超过4℃后，分子间的热运动占主导地位，密度又开始减小。
综上所述，冰的密度比水小是由于水分子在结冰过程中形成了正四面体的松散结构，导致冰的体积较大而密度较小。这一现象也解释了为什么冰能够浮在水面上。