水在摄氏3.98度时达到最大密度，这是水体积最小的时候。大多数物质在温度下降时体积缩小，密度增大，但水在接近这个温度时表现出独特性质，其密度达到最大值。这种现象可以归因于水分子之间的缔合作用。在接近沸点时，水分子以简单分子状态存在。随着温度的降低，分子热运动减缓，水分子之间的距离缩小，同时水的缔合度增大，形成更多的(H2O)2缔合分子。这种分子间的紧密排列使得水在3.98度时密度达到最大，体积最小。

当温度进一步降低，水分子开始缔合成更复杂的(H2O)3及具有冰的结构的较大缔合分子。这些分子结构较为疏松，导致水密度随温度下降反而减小，体积增大。温度降至冰点以下时，所有分子结租形成一个巨大的、具有较大空隙的缔合分子。水的这一特性对水生生物的生存至关重要。在严冬季节，冰层浮在水面上，使得下层水温不易降至极低，从而为水生动植物提供了生存的适宜环境。