正常情况下物质是热胀冷缩的，所以温度越高，物质的密度越小。但也有一些例外情况，如水在0℃～4℃之间是热缩冷胀的，人们把这种现象叫做反常膨胀。那么水为什么在4℃度时密度最大？
水在4℃度时密度最大的原因解释：
这主要受到水中氢键的影响，即形成缔合分子的原因。在4℃时密度最大，而高于或低于4℃时，密度都随之减小。水的这种反常现象，一般有下列两种解释。
1.在0℃的水中仍保留一些非常微小的同冰的疏松结构相似的缔合分子(由单个分子结合成比较复杂的分子而不引起物质的化学性质改变的现象，叫做缔合作用，所成的分子叫做缔合分子)。当温度升高时，一方面由于水中含有的这种缔合分子不断被破坏，变成较紧密的排列，而使密度变大;另一方面，由于水分子的热运动增强，水分子间的距离加大而使密度减小。在4℃以下，第一种效应占优势，因而随着温度的升高而密度增大。在4℃以上，第二种效应占优势，因而随着温度的升高而密度减小，只有在4℃时密度最大。
2.在0℃时，水大部分是由(H2O)3分子组成的，当温度升高到4℃时，大多数(H2O)3分子就转化为(H2O)2分子。由于(H2O)2分子结合得最紧密，因而这时水的密度最大。当进一步升温时，则单个的分子逐渐增多，并且分子的动能逐渐加大，水分子间的距离逐渐加大而使密度逐渐减小。
4℃度时水的密度最大的合理解释：
一般来说，热学中的宏观现象都有它的微观本质，所以水的反常膨胀也跟水分子特殊排列有关。但要从分子论的角度给出详细的解释，困难比较大。到目前为止，人们对水分子的研究还是很不够的，有关水的反常膨胀现象尚没有统一的解释。目前，即使是科学家也不能对此问题下定论。许多科学家各执一词，不过，有一种说法是被大多数人所接受的：
在液态水中，还存在着少量的结晶水颗粒，约占0.01%。水升温时，发生两种变化：一是这些颗粒逐渐熔化成液态水;同时，由于分子间间隙增大，水的体积膨胀。
在0--4℃时，主要是前一种变化在影响着水的密度：冰熔化成水，使水的体积减小，因而密度变大;
在4℃以上时，主要是后一种变化占优势：水的体积膨胀，因此密度减小。
湖泊里水的表面，当冬季气温下降时，若水温在4℃以上时，上层的水冷却，体积缩小，密度变大，于是下沉到底部，而下层的暖水就升到上层来。综上所述，在4℃时水的密度最大，而不是在0℃。
水在4℃度时密度最大的生活现象：
设想把一定质量的水从0℃加热到10℃，水的体积是先减小后增大的，4℃是转折点，此时体积最小，密度最大。水的这种奇异特性很容易在自然界中看到，如冬天河塘里的水结冰时，总是从水面开始的。也就是说首先是河面的水温降到0℃，下面的水温则高于0℃，从上向下温度逐渐升高，河底温度在4℃左右;密度则逐渐增大，河底密度最大。正因为水的这种奇异特性，才出现人在冰上走，鱼在冰下游的自然景象。因此作为我们初中生来说，我们并不需要搞清楚水为什么在4℃度时密度最大，只需要知道在4℃度时，水的密度是最大的这一具体结论即可。