जल का घनत्व उसके तापमान पर निर्भर करता है, लेकिन यह संबंध रैखिक नहीं है और मोनोटोनीक भी नहीं है (दाईं-ओर की तालिका देखें). जब जल को कमरे के तापमान से भी अधिक ठंडा किया जाता है, तब वह अन्य पदार्थों की तरह तेजी से घना होने लगता है। लेकिन लगभग 4 °C में, जल अपने अधिकतमघनत्व तक पहुँचता है। जैसे ही उसे परिवेशिक परिस्थितियों में और अधिक ठंडा किया जाता है, तो वह फैल कर कम सघन हो जाती है। यह असामान्य नकारात्मक थर्मल विस्तार, अनुकूलन-आधारित इन्टरमॉलिक्युलर अंतःक्रिया के लिए जिम्मेदार है और पिघले सिलिका मे भी यह देखा गया है।

अधिकांश पदार्थों के ठोस अवस्था उनके तरल अवस्था से अधिक घनी होती है, इसलिए ठोस पदार्थ का एक टुकड़ा तरल पदार्थ में डूब जाता है। लेकिन, इसके विपरीत सामान्य बर्फ का एक टुकड़ा तरल जल में तैरता है, क्योंकि बर्फ का घनत्व तरल जल से "कम" होता है। ठंडा होने पर, सामान्य बर्फ का घनत्व लगभग 9% कम हो जाता है। इसका कारण है इंटरमॉलिक्युलर तरंगों का ठंडा होना जिससे अणु अपने पड़ोसियों के साथ मजबूत हाइड्रोजन बांड बनाते हैं और षट्कोणीयबर्फ IH के ठंडा होने से हेक्सागोनल पैकिंग हासिल करते हैं। हालांकि हाइड्रोजन बांड, तरल की तुलना में क्रिस्टल में छोटे होते हैं, यह लॉकिंग प्रभाव, तरल के नाभिकीयन के पास पहुंचने के साथ औसत समन्वय संख्या को कम करता है। अन्य पदार्थ, जो ठंडे होने पर विस्तार करते हैं, सुरमा, विस्मुट, गैलियम, जर्मेनियम, सिलिकॉन, एसिटिक एसिड हैं।

केवल साधारण, हेक्सागोनल बर्फ ही तरल से कम घना होता है। बढ़ते दबाव में बर्फ में कई बदलाव होते हैं, जो तरल पानी से उच्च घनत्व वाले होते हैं, जैसे अनाकार बर्फ (HDA) और बहुत ही उच्च घनत्व वाले अनाकार बर्फ (VHDA).

तापमान मे बढ़त के साथ जल का फैलाव भी बढ़ता है। उच्चतम बिन्दु तक पहुंचते हुए जल का घनत्व अपने उच्चतम मान से 4% कम हो जाता है।

एक मानक दबाव मे बर्फ के पिघलने की सीमा बिंदु 0 डिग्री सेल्सियस (32 °F, 273 K) होती है, हालांकि, शुद्ध तरल जल को बिना जमाये उस तापमान से नीचे के तापमान मे भी बेहतरीन तरीके से शीतल किया जा सकता है, यदी तरल पदार्थ को हिलाया न जाए. यह अपने समरूप नाभिकीयन बिन्दु जो लगभग 231 के (-42°सी) तक एक द्रव स्वरूप में ही रह सकता है। साधारण षट्कोणीय बर्फ का गलनांक, उच्च दबाव se थोड़ा नीचे गिरता है, लेकिन जब बर्फ अपने एलोट्रोप्स में बदलता है (बर्फ का क्रिस्टलीय रूप देखें), तो गलनांक, दबाव के साथ काफी बढ़ जाता है, जो पर (बर्फ VII के त्रिगुण बिन्दु).

साधारण बर्फ के गलनांक को कम करने के लिए एक महत्वपूर्ण दबाव की आवश्यकता होती है - एक आइस स्केटर द्वारा डाला गया दबाव, गलनांक बिंदु को केवल लगभग 0.09 °C (0.16 °F) कम करता है।

जल के इन गुणों की पृथ्वी के पारिस्थितिकी तंत्र में महत्वपूर्ण भूमिका होती है। 4 डिग्री सेल्सियस के तापमान का जल, वातावरण में किसी भी तापमान के बावजूद, हमेशा ताजे जल की झीलों के तल में जमा हो जाता है। चूंकि जल और बर्फ, ऊष्मा के खराब चालक है, (विसंवाहक) ऐसी संभावना नहीं रहती है कि पर्याप्त गहरी झील पूरी तरह से जम जायेगी, जब तक कि उसे शक्तिशाली धाराओं द्वारा हिलाया न जाए जिससे ठंडा और गर्म पानी मिल जाएगा और शीतलीकरण को तेज़ करेगा। गर्म मौसम में, बर्फ की चट्टानें, नीचे डूबने की बजाय, जहां वे बहुत धीरे-धीरे पिघलती हैं, तैरती हैं। ये घटनाएं इस प्रकार जलीय जीवन की रक्षा कर सकती हैं।

हाइड्रोजन बॉन्डिंग
जल और बर्फ का घनत्व
विद्युत अपघटन
लिगेंड रसायन