水在4℃時密度最大是反常膨脹現象。水的反常膨脹現象可以用氫鍵、締合水分子理論予以解釋。 只有在0℃到4℃的範圍內的水才顯示出反常膨脹的現象來。一般物質由於溫度影響，其體積為熱脹冷縮。但也有少數熱縮冷脹的物質，如水、銻、鉍、液態鐵等，在某種條件下恰好與上面的情況相反。實驗證明，對0℃的水加熱到4℃時，其體積不但不增大，反而縮小。當水的溫度高於4℃時，它的體積才會隨著溫度的升高而膨脹。因此，水在4℃時的密度最大。湖泊裡水的表面，當冬季氣溫下降時，若水溫在4℃以上時，上層的水冷卻，體積縮小，密度變大，於是下沉到底部，而下層的暖水就升到上層來。這樣，上層的冷水跟下層的暖水不斷地交換位置，整個的水溫逐漸降低。這種熱的對流現象只能進行到所有水的溫度都達到4℃時為止。當水溫降到4℃以下時，上層的水反而膨脹，密度減小，於是冷水層停留在上面繼續冷卻，一直到溫度下降到0℃時，上面的冷水層結成了冰為止。擴充套件資料：水溫超過4℃時，同樣應當考慮締合水分子中的氫鍵斷裂、水分子運動速度加快這兩個因素，綜合分析它們對水密度的影響。由於在水溫比較高的時候，水中締合數大的締合水分子數目比較小，氫鍵斷裂所造成水密度增加的影響較小，水密度的變化主要受分子熱運動速度加快的影響，所以在水溫由4℃繼續升高的過程中，水的密度隨溫度升高而減小，即呈現熱脹冷縮現象。在4℃時，水中雙分子締合水分子的比例最大，水分子的間距最小，水的密度最大。二、水的反常膨脹液態水，除含有簡單的水分子（H2O）外，同時還含有締合分子(H2O)2和(H2O)3等，當溫度在0℃水未結冰時，大多數水分子是以(H2O)3的締合分子存在，當溫度升高到3.98 ℃（101 kPa）時，水分子多以(H2O)2締合分子形式存在，分子佔據空間相對減小，此時水的密度最大。如果溫度再繼續升高在3.98 ℃以上，一般物質熱脹冷縮的規律即占主導地位了。水溫降到0 ℃時，水結成冰，水結冰時幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子為近鄰（兩個共價鍵，兩個氫鍵）。這樣一種排布導致成一種敞開結構，也就是說冰的結構中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。
水在4℃時密度最大是反常膨脹現象。水的反常膨脹現象可以用氫鍵、締合水分子理論予以解釋。 只有在0℃到4℃的範圍內的水才顯示出反常膨脹的現象來。一般物質由於溫度影響，其體積為熱脹冷縮。但也有少數熱縮冷脹的物質，如水、銻、鉍、液態鐵等，在某種條件下恰好與上面的情況相反。實驗證明，對0℃的水加熱到4℃時，其體積不但不增大，反而縮小。當水的溫度高於4℃時，它的體積才會隨著溫度的升高而膨脹。因此，水在4℃時的密度最大。湖泊裡水的表面，當冬季氣溫下降時，若水溫在4℃以上時，上層的水冷卻，體積縮小，密度變大，於是下沉到底部，而下層的暖水就升到上層來。這樣，上層的冷水跟下層的暖水不斷地交換位置，整個的水溫逐漸降低。這種熱的對流現象只能進行到所有水的溫度都達到4℃時為止。當水溫降到4℃以下時，上層的水反而膨脹，密度減小，於是冷水層停留在上面繼續冷卻，一直到溫度下降到0℃時，上面的冷水層結成了冰為止。擴充套件資料：水溫超過4℃時，同樣應當考慮締合水分子中的氫鍵斷裂、水分子運動速度加快這兩個因素，綜合分析它們對水密度的影響。由於在水溫比較高的時候，水中締合數大的締合水分子數目比較小，氫鍵斷裂所造成水密度增加的影響較小，水密度的變化主要受分子熱運動速度加快的影響，所以在水溫由4℃繼續升高的過程中，水的密度隨溫度升高而減小，即呈現熱脹冷縮現象。在4℃時，水中雙分子締合水分子的比例最大，水分子的間距最小，水的密度最大。二、水的反常膨脹液態水，除含有簡單的水分子（H2O）外，同時還含有締合分子(H2O)2和(H2O)3等，當溫度在0℃水未結冰時，大多數水分子是以(H2O)3的締合分子存在，當溫度升高到3.98 ℃（101 kPa）時，水分子多以(H2O)2締合分子形式存在，分子佔據空間相對減小，此時水的密度最大。如果溫度再繼續升高在3.98 ℃以上，一般物質熱脹冷縮的規律即占主導地位了。水溫降到0 ℃時，水結成冰，水結冰時幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子為近鄰（兩個共價鍵，兩個氫鍵）。這樣一種排布導致成一種敞開結構，也就是說冰的結構中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。