水的液相和固相是截然不同的
水的分子性质使分子之间相互吸引和排斥，并形成连接。这些特征影响水的功能特性。
水是地球上最常见的化合物。但它确实不寻常的物理特性这对生物体很重要。这些性质在很大程度上是基于水分子的化学结构，以及水分子之间和其他分子之间的相互作用。
水分子的化学结构
水分子是由两个氢原子和一个氧原子结合而成的。在原子中，电子数等于质子数，原子带中性电荷。但是在水分子中，氧原子对电子的吸引力比氢原子更强。这种强烈的吸引力意味着氧原子从每个氢原子上吸走一个电子，使氢原子带一个正电荷，而氧原子带两个负电荷。因此，每个水分子都有两个正极(两个氢原子各有一个)和两个负极(单个氧原子上)。这些相反的电荷使水分子相互吸引．
水分子上电荷的相互作用
当水分子移动和扭转时，相邻水分子中带相反电荷的两极相互吸引，使这些分子靠近，而其他邻居中带同样电荷的两极相互排斥，将这些分子推开。
水分子在水和冰中的间隔不同，这种间隔导致了这两种相的密度的差异。在液态水中，分子可以自由移动。在冰中，它们被刚性连接分开，使分子之间的距离比液态水中的平均分子距离要长。
在液态水中，分子可以自由地分离，并在相邻的分子之间来回弹跳。相邻的水分子经常在它们之间形成和破坏临时的氢键，每个分子都用冰一样的键将氢原子分开。这种自由的滑动和形成链接会导致一些分子靠得更近，而另一些分子则离得更远。
水和冰的不同物理性质
当液态水冷却时，分子之间的运动速度减慢，分子之间的接触不像水变暖时那样频繁。冷水中的分子不能像在温水中那样快速或远地移动，缓慢移动的相邻分子之间的吸引力和排斥力变得更强，分子被拉到一个紧密的方向，减少了分子之间的间距。因此，冷水的密度会比温水大。水在结冰前的4摄氏度(39华氏度)时密度最大。这些水沉到水面以下。
随着水的温度当温度下降到4摄氏度以下时，越来越多的分子之间就会形成冰链，将它们锁定在某个位置，并使它们稍微分开。水的密度变小，上升到水面。在冰中，几乎所有的分子都在一定的距离上连接，不再能够互相滑过。这使得结晶水的密度比液态水低。
水的密度比冰大
冰之所以能浮起来，是因为它的分子之间的距离更远，而且固态水(冰)比液态水轻(密度更小)。当冰形成时，它漂浮在液态水上面，形成一层固体薄片，使液态水与较低的空气温度绝缘，并防止水凝结成固体。
水的这些特性是春季和秋季大型水体生态动力学发生重要变化的原因。