なぜ水の密度は4℃で最大になるの？

水の密度は4℃で最大になります。

微妙な温度ですよね。

水分子は水素結合をつくります。水素結合には方向性があるため空間ができて密度が低くなります。

温度が低い時はこの結合の影響を強く受けますが、温度を上げると分子の運動が大きくなり空間が埋まります。その結果、密度が高くなります。しかし、温度をさらに上げていくと、分子の運動がさらに激しくなって空間ができ、密度が低くなります。

つまり、4℃というのは水素結合による影響と熱による膨張のバランスが調度とれている温度なのです。

極性分子特有の性質だね。