一般來說，大多數(shù)物體都有熱脹冷縮的性質(zhì)，溫度越高，物質(zhì)的密度越小。但水卻是一個(gè)例外，熱脹冷也脹，只有在4℃時(shí)候，體積最小。高于4℃或低于4℃時(shí)，體積都會膨脹。這種現(xiàn)象被稱為“反常膨脹現(xiàn)象”。

在水中除了單分子H2O外，還有這些簡單分子結(jié)合而成的較復(fù)雜的(H2O)n(n可以是2、3、4……)分子。這種由簡單分子結(jié)合成較復(fù)雜的分子集團(tuán)而不引起物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)改變的過程，稱為分子的締合，相反的過程稱為離解。締合是放熱過程，離解是吸熱過程，所以溫度升高，水的締合程度降低(n減小)，溫度降低，水的締合程度增加(n增大)。

0℃水結(jié)成冰時(shí)，全部分子締合在一起成為從而形成一個(gè)巨大的群體。在冰的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)氧原子與4個(gè)氫原子相連接而成四面體，每個(gè)氫原子與兩個(gè)氧原子相連結(jié)。即氧原子的四個(gè)鍵(兩個(gè)共價(jià)鍵，兩個(gè)氫鍵)，指向一個(gè)四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)水分子都被四個(gè)水分子所包圍，如圖2所示。由于氫鍵基本上還是屬于靜電吸引作用，它的鍵能比化學(xué)鍵的鍵能要小得多，但和分子間作用力的數(shù)量級相近，所以通常說氫鍵是較強(qiáng)的有方向的分子間作用力。但氫鍵與一般分子間作用力不同，它具有飽和性和方向性。因此，冰是一種很不緊湊的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有相當(dāng)大的空。當(dāng)冰熔解時(shí)，一些氫鍵被破壞，四面體結(jié)構(gòu)被瓦解，水分子可以比較緊密地堆積在一起，因此，冰在熔解時(shí)體積要縮小。

科學(xué)家用X射線研究接近0℃水的結(jié)構(gòu)時(shí)，證實(shí)在液態(tài)水中存在著非常小的冰晶體，這些微小的冰晶具有像普通冰一樣的結(jié)晶學(xué)上的結(jié)構(gòu)。根據(jù)推算，在接近0℃的水中大約有0.6%的冰晶體。當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，這些冰晶體逐漸被破壞，引起了體積的減小，致使密度增大。

而在溫度4℃上下，水中有兩種使密度發(fā)生改變的效應(yīng)：一是由于溫度升高，液態(tài)水的分子熱運(yùn)動加劇，分子間的平均距離增大，致使水的密度減小；另一種是由于溫度升高，水中所含有的冰晶體逐漸熔解，分子間的平均距離減小，致使密度增大。在1大氣壓（101.325千帕）下，水溫低于4℃前，后一種效應(yīng)占優(yōu)勢；而水溫高于4℃后，前一種效應(yīng)占優(yōu)勢。所以水在4℃密度最大。

水的這種特性給人們的日常生活造成一些損失，例如水結(jié)冰時(shí)體積膨脹所產(chǎn)生的力量，足以把水管、水泥制件等撐破。當(dāng)然，也能給人類帶來好處，特別是在保護(hù)魚類和其他水中生物方面。