水在4℃时密度最大这一现象是由于水的独特分子结构和氢键网络特性造成的。在固态（冰）时，水分子以规则的晶体结构排列，每个水分子通过氢键与四个邻近的水分子连接，形成开放的、蜂窝状的晶格结构。这种结构使得冰的密度比液态水小，因此冰会浮在水面上。
当温度从0℃升高到4℃时，水分子的动能增加，部分氢键断裂，分子间的距离减小，使得水分子能够更紧密地排列。在这个温度范围内，分子排列方式的调整比热膨胀效应更为显著，因此水的密度增加。
超过4℃后，随着温度继续升高，水分子的热运动加剧，分子间的距离增大，导致热膨胀效应占据主导地位，水的密度反而开始下降。这种现象在生物和自然环境中具有重要意义，例如，如果冰不比水轻，湖泊和河流在冬季可能会从底部开始冻结，从而对水生生物造成致命影响。此外，这种特性也解释了为什么热的水会向上流动，而冷的水会向下流动，从而形成对流现象。