El agua se expande en un factor de 112, o aproximadamente el 9 por ciento, cuando se congela. El agua, a diferencia de la mayoría de los demás líquidos, forma enlaces de hidrógeno más fuertes a medida que descienden las temperaturas. Esto conduce a una estructura de celosía cristalina con vacíos que quedan entre las moléculas. A medida que las moléculas se disponen de esta manera, la sustancia se expande y se vuelve menos densa.
Las moléculas de agua normalmente se deslizan entre sí de forma fluida y fácil, pero cuando la temperatura desciende por debajo de la congelación, los dos átomos de hidrógeno se alinean con sus vecinos. Esta alineación eventualmente se convierte en una estructura cristalina rígida, dejando aberturas entre las moléculas. Estas áreas abiertas son donde el volumen total de la sustancia ha aumentado, o se ha expandido, aproximadamente en un 9 por ciento, por lo que el hielo flota en el agua y no se hunde.
Si el agua no se expandiera cuando se congela, la Tierra sería un lugar diferente. Si el agua se contrajera cuando se congela, sería más densa que el agua circundante y el sumidero. Esto dejaría el hielo sumergido y fuera del alcance de la luz solar, mientras que los peces y animales congelados viven en o cerca del fondo. El hielo sumergido también enfriaría lentamente el planeta, dando lugar a un ambiente frío e inhóspito para la vida como se lo conoce hoy, particularmente para la vida humana.
