水遇冷会膨胀，水之外，锑、铋、镓和青铜等物质在一定温度范围也有“反常膨胀”的特性。
为什么会有这种反常膨胀现象呢？这和水的结构有关。大量
水分子除了以单个形式存在以外，还会有多个水分子组合在一起，形成“缔合水分子”。水分子缔合时，相互间存在一种叫作“
氢键”的相互作用，即不同水分子之间
氧原子和氢原子的吸引作用。氢键具有一定的方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水的结构发生了变化：一是缔合水分子中的各单个分子的排列更为有序，二是各个分子间的距离变大。
水分子能否组合在一起成为“缔合水分子”，是与温度密切相关的，温度越高，缔合的程度越低；温度越低，缔合程度越高。常温下，有大约50％的单个水分子组合为缔合水分子。显然，缔合程度越高，水的结构就越松散，其密度就越低。然而，与此同时，温度还对水分子的热运动有影响，温度越高，热运动越快；温度越低，热运动越慢。这两种不同的作用，对水密度的影响是相反的。因此，谁占上风，就决定了水是
热胀冷缩还是热缩冷胀了。
在4℃以下时，缔合作用对于水的密度影响更大，这时水呈现出反常膨胀的特性；而当温度超过4℃时，则主要受热运动的影响，这时水的密度随温度升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。