一般來說，隨著溫度上升，物質就會體積膨脹，密度減小。但是水在4度以下的時候卻是溫度越低，密度越小。固體的密度一般都比熔化後的液體大，但是水結成了冰的時候卻反而是密度減小，體積增大。這時因為冰的體積比原本的水大約大11％,會產生強大的膨脹力，密閉容器中的水結冰時對外產生的壓力可達約2500個大氣壓！
水的穩定性非常高，即使加熱到2000℃，也隻有不到1％的水分子會發生分解。周期表內氧鄰近或者同族的元素跟氫形成的化合物常溫下都是氣態，隻有水，不但是液態，而且處於液態的溫度範圍足足有100℃。水的熱容是所有液體當中最大的，達到了1卡/克·℃；熔化時的在沸騰的時候，和別的液體相比，吸收的熱量也特別大，達到540卡/克；水的表麵張力在純淨物液體中僅次於液態金屬汞，而金屬汞的密度是水的13.6倍；水是很多物質的優良溶劑，水溶液常常有良好的導電性能。
水的這些性質都和它的結構有關係。結構化學的研究告訴我們，這些性質主要由水的兩種特性引起。
第一，極性共價鍵。水分子由氫原子和氧原子通過共價鍵結合形成。
氧原子的得電子能力很強，而氫原子給出電子的傾向在非金屬元素中是最強的，但又遠遠不到要完全電離的地步。因此水分子的氫氧鍵結合非常牢固，很難被熱運動打斷。同時，水分子當中的電子，實際上很大程度上是在氧原子周圍運動。於是氧原子一端帶負電，兩個氫原子那邊則帶正電。這樣一來，水可以用帶正電的一端跟帶負電的陰離子結合，用帶負電的一端跟帶正電的陽離子結合，幫助離子化合物的離子對互相分離。因此水對大多數鹽都是很好的溶劑，水溶液也因此是電的良導體。同樣的道理，水對於和它一樣有極性的化合物也有很好的溶解性。
第二，氫鍵。由於氧原子一頭帶負電，氫原子一頭帶正電，於是一個水分子的氧原子有可能跟另外一個水分子的氫原子之間通過電磁相互作用互相吸引，形成氫鍵。這使得水分子之間存在比其它氫化物之間更強的締合，稱為氫鍵。
在比較高的溫度下，水主要是以簡單分子狀態存在的．溫度降低時，分子熱運動能量減小，這使得水分子之間的距離減小，密度增大；另一方麵，由於溫度的降低，水的締合程度增大，排列緊密的（H2O）2締合體增多，也有利於水的密度增大。到4℃（嚴格講為3.98℃）時，這種排列最為緊密，水的密度也達到最大值。溫度繼續降低時，（H2O）3甚至更大的締合分子開始出現，並且隨著溫度的降低增多。這些締合體的結構比較疏鬆，造成水的密度隨溫度的降低反而減小。O℃時，水結成冰，全部分子締合成一個巨大的、具有較大間隙和一些籠狀結構的巨型“分子”，這使得冰的密度比水要小很多。水的熱容量比其它液體大也是因為這種締合的緣故：溫度升高的時候，除了分子熱運動加劇的能量之外，水還要吸收額外的能量來減小分子之間的締合。水的表麵張力特別大也是因為水分子之間的締合力傾向於將表麵的水分子拉到內部來，減小水的表麵積。
水的這些性質對人類的生存有著重大作用。水良好的溶解性使得它能成為運輸營養和代謝產物的載體。水結冰時的體積膨脹對地球地貌的形成有著重要作用。尤其水的密度比冰大，4℃時密度最大這點，使得溫度下降時水體隻會在表麵結冰，不至於完全凍結。水中的生命就是靠了這個特性才能度過寒冷的時期。如果水沒有這種特性，冬天水中的生物都會被凍死，更可怕的是，地球早期的冰河時代將會殺死當時還全部居住水中的早期生物，人類的出現更是無從談起。
十、現代建築的基礎——水泥
“危樓高百尺，手可摘星辰”。詩人藝術的誇張當中，也向我們透露了一個信息：在古代人來說，三十米已經是一個非常了不起的建築高度了。
的確，在現代之前，除了金字塔由於其特殊的形狀能夠修得超過百米之外，普通的建築物大多隻有幾米到十幾米，高幾十米的建築，那是非常罕見的。（以下列舉古代著名建築物高度。阿旁、大阪天守、比薩、印度塔。指出）甚至古代帝王為了俯視眾生，也隻能把建築物修築在土台甚至山丘上麵。這裏麵的原因，主要是太高的建築物不穩固，容易倒塌。但是到了現代，情況就大不一樣了。摩天大樓比比皆是，20世紀更是如雨後春筍一般在世界各地的城市裏麵生長起來。即使是金字塔，在動輒數百米的現代建築麵前也相形見絀。人們甚至在水中修建了一係列高大的建築：大壩和海洋平台。
這些建築的出現，都得力於18世紀的一項發明。。
1774年，一位工程師斯密頓奉命在英吉利海峽築起一座燈塔，為過往這裏的船隻導航引路。但是，他發現，無論灰漿還是石頭都不能經受海水的衝刷，燈塔的基礎找不到適當的建築材料。經過長時間的努力之後，他將石灰石、粘土、沙子和鐵渣等煆燒、粉碎並用水調和後，注入水中。這種混合料在水中發生化學變化，會吸收水分凝聚起來，所以不但不會被衝稀，反而越來越牢固。這樣，他終於成功地在英吉利海峽築起了第一個航標燈塔。1824年，英國一位叫亞斯普丁的石匠，摸索出了石灰、粘土、鐵渣等原料的最合適比例，進一步完善了生產這種混合料的方法並申請了發明專利。由於這種膠凝材料硬化後的顏色和強度，同波特蘭地方出產的石材十分相似，因此被命名為為“波特蘭水泥”。從此， “水泥”這個名稱便沿用下來。不過，水泥仍然經不起衝擊，抗拉強度低。為了克服這個弱點，法國工程師克瓦涅提出在這種水泥中引入鋼筋，充分利用鋼筋的高抗拉強度與水泥的高硬度。1861年，他用水泥、鋼筋和沙石成功地築起了一座水壩，並取名為"混凝土"水壩。從此，比水泥更好的建築材料——“鋼筋混凝土”又出現了。
水泥和混凝土的誕生從此改變了建築學的麵貌。不過，並不是所有的人都對這個新玩意那麼放心。一直到了1929年美國修建帝國大廈的時候，還有很多人擔心，如此高大的建築物，在自重的作用下會很不安全。
1945年，一起偶然的事故讓人們終於見識到了鋼筋混凝土的威力。
這一年的7月28日清晨，一架B-25轟炸機在大霧中迷失了方向，不幸撞到了帝國大廈的97層。轟然巨響聲中，飛機被撞得粉碎，大廈裏麵的人群瘋狂向外奔逃。塵埃落定之後，人們驚訝地發現，雖然飛機粉身碎骨，帝國大廈卻仍矗立不搖。隻有97層的部分邊框被撞壞，一部電梯因為震動失靈墜落。從此，人們對於鋼筋混凝土的信心大大增強，再也沒人懷疑高層建築的安全性能了。以至於911事件發生後，世人反而驚訝：飛機怎麼能把大樓撞垮的？事故調查的結論也證實，大廈果然並不是被撞垮，而是被飛機油箱中大量燃油燃燒起的熊熊烈火給燒垮的。
除了大建築物之外，由於水泥可以隨意改變澆注形狀，它的發明還大大促進了建築藝術的發展，種種千姿百態的建築物，也正是在水泥的幫助下在世界各地不斷湧現。
今天，水泥已經發展成為一個擁有200多名成員的大家族。各種不同型號的水泥，有著不同的性質，被廣泛運用在建築行業的各個方麵。中國由於基建產業的發達，已經多年連續位居世界水泥產量和用量第一。