Wasser dehnt sich beim Gefrieren um den Faktor 112 oder etwa 9 % aus. Im Gegensatz zu den meisten anderen Flüssigkeiten bildet Wasser bei sinkenden Temperaturen stärkere Wasserstoffbrückenbindungen. Dies führt zu einer Kristallgitterstruktur mit verbleibenden Hohlräumen zwischen den Molekülen. Wenn sich die Moleküle auf diese Weise anordnen, dehnt sich die Substanz aus und wird weniger dicht.
Wassermoleküle gleiten normalerweise flüssig und leicht aneinander vorbei, aber wenn die Temperatur unter den Gefrierpunkt sinkt, richten sich die beiden Wasserstoffatome an ihren Nachbarn aus. Diese Ausrichtung wird schließlich zu einer starren Kristallstruktur, die Öffnungen zwischen den Molekülen hinterlässt. In diesen offenen Bereichen hat sich das Gesamtvolumen der Substanz um etwa 9 Prozent vergrößert bzw. ausgedehnt, weshalb Eis auf dem Wasser schwimmt und nicht sinkt.
Wenn sich Wasser im gefrorenen Zustand nicht ausdehnen würde, wäre die Erde ein anderer Ort. Wenn sich Wasser beim Gefrieren zusammenziehen würde, wäre es dichter als das umgebende Wasser und würde sinken. Dies würde Eis unter Wasser und außerhalb der Reichweite des Sonnenlichts hinterlassen, während Fische und Tiere, die am oder in der Nähe des Bodens leben, einfrieren. Das untergetauchte Eis würde auch den Planeten langsam abkühlen, was zu einer kalten und unwirtlichen Umgebung für das Leben, wie es heute bekannt ist, insbesondere für das menschliche Leben, führen würde.
