大部分物体都有热胀冷缩的特性，也就是温度越高，物质的密度会随之变小。但有一种特例，那就是水。水的独特之处在于，无论温度上升还是下降，它的体积都会有所增加，唯独在4℃的时候体积最小。这种现象被人们称为“反常膨胀现象”。
除了单独的H2O分子，水中还存在由这些简单分子结合而成的较复杂的(H2O)n（n可以是2、3、4……）分子。这种简单分子结合形成较复杂分子的过程，我们称之为分子的缔合，相反的过程则称为离解。缔合是一个放热过程，而离解是吸热过程。当温度升高时，水的缔合程度会降低（n值减小），而当温度降低时，水的缔合程度则会增加（n值增大）。
当水温降至0℃并结冰时，所有的分子都会完全缔合在一起，形成一个巨大的。在冰的结构中，每个氧原子与四个氢原子连接，形成四面体的形状。每个氢原子也与两个氧原子相连。由于氢键主要是静电吸引作用，其键能虽然比化学键的键能小得多，但与分子间作用力的数量级相近，因此通常被视为较强的有方向的分子间作用力。但氢键与一般的分子间作用力不同，它具有饱和性和方向性。这使得冰的结构相当不紧凑，内部有很多空隙。
当冰融化时，一些氢键被，四面体的结构也随之瓦解，水分子可以更加紧密地堆积在一起。冰在融化时体积会缩小。科学家们用X射线研究接近0℃的水结构时，发现液态水中存在微小的冰晶体，这些冰晶具有与普通冰相同的结晶学结构。推算显示，在接近0℃的水中大约有0.6%的冰晶体。随着温度的逐渐升高，这些冰晶体逐渐融化，导致体积减小和密度的增大。
在4℃左右，水的密度变化受到两种效应的影响。一是温度升高导致液态水分子热运动加剧，分子间的平均距离增大，使水的密度减小；另一效应是随着温度的上升，水中的冰晶体逐渐融化，分子间的平均距离减小，使密度增大。在标准大气压（101.325千帕）下，当水温低于4℃时，后一种效应占主导；而水温高于4℃时，前一种效应更明显。水的密度在4℃时达到最大值。
