水有三种形态：及固态、液态、和气态。
这三种水的形态取决于水的温度变化。温度过低到达冰点形成固态。温度过高达到沸点形成气态。结余冰点和沸点之间温度的水为液态。
这三种水的形态，以气态密度最小，液态密度最大，固态冰密度居中而定。气态这个不用过多解释，固态我们也可以通过冰的漂浮得到定论。
这是由于物质分子的运动造成，分子的运动越快说明温度越高。所谓热胀冷缩。同质量下体积不一样，密度也就不一样。
那么，水在液态下，我们以水能保持液体最低形态的温度也就是冰点来说，这个时候水的密度是最大吗？
其实不然，研究发现，4℃时水才是密度最大的时候。为何会这样？我们先来了解水中一种奇特的相互作用力――氢键。
什么是氢键？氢键是一种分子与分子之间的特殊作用力。
比如水，水中的氢原子和一种电负性大的原子以共价键（一种稳定机构）结合。结合后假设为A。当A靠近另一种电负性同样大，半径小的原子（假设B）后。那么AB之间就会产生相互作用，这就是所谓氢键。
氢键的多少和有无对于物质本身的性质有很大影响。你比如从密度，溶解性，粘性之类都有很大的区别。
氢键一般在物质液态时生成。氢键的存在和温度分子之间的运动速率密不可分。
液态水时，氢键生成。当温度升高，水分子的运动速率加快时，这个时候水本身就无法生成氢键，原本存在的氢键也会被破坏。
而温度过低，水分子运动速率下降时，这个时分子运动根本破坏不了氢键，这个时候氢键开始发挥它的作用。它把水分子结起来形成有规则的空间结构。在一个晶格中，四个氢原子在正四面体的顶点上，一个氧原子位于四面体的中心。
这种情况下也就是到达冰点结冰了。由于氢键作用形成的这种晶体结构使分子之间间隙变大，导致冰的体积比水大，密度也就变低。
氢键作用下的晶体结构，不用零度就已经开始。在氢键的作用下，水分子要形成这种结构，前面我已经说了，首先一个就是要在低温状态，分子运动的速率小，保证氢键不被分子运动破坏的情况下。
但这个温度并不需要零度。根据研究表明，当温度低于4度的时候，其实氢键已经开始发挥它的作用，水中就已经开始形成冰晶格了。
这里很多朋友会说，我观察水在4℃的时候，水仍然是液态状，并没有结冰现象发生啊。
其实冰晶确实已经产生了，结冰是液态水的完全固态化，这种情况只是还没有达到所有液体都结冰的情况，我们肉眼是无法看见的。借助于显微镜，你就会发现，水体之中其实已经充斥了很多冰晶了。
由于冰晶的存在。会占据水体的一定空间。所以这个时候水的密度反而变大了。
4摄氏度时，恰好是一个分水岭。这个温度是水保持完全液态状时最低温度，当然密度也是最大的。