普遍而言，绝大多数物质在温度的影响下会展现出热胀冷缩的特性，即温度升高时，物质的密度会相应减小。水却是一个独特的例外。它不仅在加热时膨胀，即使在冷却时也会发生膨胀，唯有在4℃时，它的体积达到最小。这一奇特现象被称为“反常膨胀”。
在水的分子世界里，除了单独的H2O分子外，还存在由这些简单分子结合而成的更复杂的(H2O)n（其中n可以是2、3、4……）分子集团。这些分子集团的形成与，并不会改变水的化学本质。当简单分子结合成更复杂的分子集团时，这一过程被称为分子的缔合；相反，的过程则被称为离解。由于缔合是一个放热过程，而离解则是吸热过程，因此随着温度的变化，水的缔合程度也会相应调整。
当温度降至0℃时，水分子会完全缔合在一起，形成冰的结构。在冰的结构中，每个氧原子与四个氢原子以特定的方式相连，构成一个四面体的结构。每个水分子都被其他四个水分子所环绕，如图2所示。虽然氢键的键能相较于化学键要小，但它仍是一种有方向的分子间作用力，使冰的结构呈现出不紧凑的特点。而当冰熔化时，由于部分氢键的断裂，水的分子可以更加紧密地排列在一起。
科学家利用X射线研究发现，即使在接近0℃的液态水中，也存在着微小的冰晶体。这些冰晶体在结构上与普通冰相似，并具有结晶学的特性。据估算，在接近0℃的水中大约有0.6%的冰晶体存在。随着温度的升高，这些冰晶体会逐渐熔化，导致水的密度逐渐增大。
在大约4℃的水温下，存在两种影响水密度的效应。一方面，随着温度的升高，水的分子运动会更加剧烈，导致分子间的平均距离增大，从而使水的密度减小。随着温度的升高，水中冰晶体的熔化会导致分子间的平均距离减小，进而使水的密度增大。在标准大气压下，水温低于4℃时，后者效应占据主导地位；而水温高于4℃时，前者效应则更为显著。水在4℃时的密度达到最大。
这种水的特殊性质在人们的日常生活中既有损失也有益处。例如，水结冰时体积膨胀的力量可能会水管和水泥制件等。这种特性也在保护鱼类和其他水中生物方面发挥了重要作用。
水的这种独特的反常膨胀现象以及其背后的分子结构变化机制，既令我们惊叹于自然界的奇妙之处，也为我们的日常生活带来了一定的影响。