这水是最重要也是最奇特的特性之一。
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，体积比水大。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。
这是保障生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冻，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。而水分子的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（hydrgenbond）。氢离子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无序运动的，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，也就是形成了冰，其体积反比水大。
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