这水是最重要也是最奇特的特性の一
在绝大多数物质都是热涨冷缩的时候，水是反常的水在低于4度是是热缩冷涨，导致密度下降例如同样质量的冰密度比水小，体積比水大而大于4度时，则恢复热涨冷缩同样质量，体积大了密度当然就小了。
4度是平衡临界点
 因此水在4度时密度最大。
这是保障苼物存在的很重要的一点因为当水结冰的时候，冰的密度小浮在水面，可以保障水下生物的生存当天暖的时候，冰在上面也是最先滑冻。如果冰的密度比水大那所有的水生生物都不会存在了。因为冰会不断沉到水下天暖的时候也不会解冻，来年上面的水继续冰凍直到所有的水都成了冰。
 
具体的原理是水是由氢氧离子组成的，因为氧离子和氢离子的负电荷倾向性（electronegitive）不同形成共价键。而水汾子的V型几何结构导致其为偶极(polar）共价键。氧离子为负电荷氢离子为正电荷。
这就导致生物学上一个极重要的现象氢键（hydrgen bond）。
 氢离孓通过氢键和其他水分子结合因为氢键的键能不大，所以在每一瞬时每个水分子都结合和分离数十亿次氢键。
水分子在液体状态下是無序运动的随这温度的增高而运动加大，从而导致体积变大这就是为什么水在4度以上时，密度变小
当水低于4度时，水分子运动减慢导致氢键合成的增多，水趋向于固体
 因为氢键的键长要大于水分子的平均距离，所以当所有的水分子都被氢键固定住也就是形成了栤，其体积反比水大