Wenn Wasser zu Eis gefroren ist, erzeugt die Temperaturänderung überschüssige Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen, die den Raum zwischen den Molekülen vergrößern. Der zusätzliche Raum, der geschaffen wird, verringert die Dichte des Wassers, wenn es gefriert, wodurch Eis weniger dicht als Wasser wird. Anstatt die Moleküle enger zusammenzupacken und eine höhere Dichte zu erzeugen, erhöhen sich die Wasserstoffbrückenbindungen beim Einfrieren von Wasser von einer 3,4-Molekül-Bindung auf eine 4-Molekül-Bindung, was den überschüssigen Raum und die verringerte Dichte im Eis erzeugt.
Die Kristallstruktur von Eis wird tatsächlich durch die gleichen Wasserstoffbrücken erzeugt und aufrechterhalten, die die Dichte der Wassermoleküle verringern. Die verringerte Dichte der Moleküle ermöglicht es Eis, in flüssigem Wasser zu schwimmen, anstatt zu sinken. Auf diese Weise verhalten sich Wasser und Eis anders als die meisten anderen Flüssigkeiten und Festkörper gleichen Volumens. Wenn eine Flüssigkeit erstarrt, wird im Allgemeinen die kinetische Energie zusammen mit der Temperatur reduziert. Dadurch werden die Moleküle enger zusammengepackt und die feste Version ist dichter als die flüssige Version mit gleichem Volumen. Wenn der Feststoff dichter ist als die Flüssigkeit, sinkt der Feststoff beim Eintauchen in die Flüssigkeit. Wasser ist die einzige Substanz, die beim Einfrieren an Dichte verliert.
