Cuando el agua se congela en hielo, el cambio de temperatura crea un exceso de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua que aumentan el espacio entre las moléculas. El espacio adicional creado reduce la densidad del agua a medida que se congela, lo que hace que el hielo sea menos denso que el agua. En lugar de que las moléculas se junten más estrechamente y creen una mayor densidad, a medida que el agua se congela, los enlaces de hidrógeno aumentan de un enlace de 3,4 moléculas a un enlace de 4 moléculas, lo que crea el espacio en exceso y la densidad reducida en el hielo.
La estructura cristalina del hielo en realidad es creada y mantenida por los mismos enlaces de hidrógeno que disminuyen la densidad de las moléculas de agua. La densidad disminuida de las moléculas permite que el hielo flote en agua líquida en lugar de hundirse. De esta manera, el agua y el hielo se comportan de manera diferente a la mayoría de los demás líquidos y sólidos del mismo volumen. Generalmente, cuando un líquido se solidifica, la energía cinética se reduce junto con la temperatura. Esto empaqueta las moléculas más estrechamente y hace que la versión sólida sea más densa que la versión líquida del mismo volumen. Cuando el sólido es más denso que el líquido, el sólido se hunde cuando se coloca en el líquido. El agua es la única sustancia que pierde densidad cuando se congela.
