Quando a água é congelada em gelo, a mudança na temperatura cria ligações de hidrogênio em excesso entre as moléculas de água que aumentam o espaço entre as moléculas. O espaço adicional criado reduz a densidade da água conforme ela congela, tornando o gelo menos denso que a água. Em vez de as moléculas se agruparem mais firmemente e criarem uma densidade mais pesada, conforme a água congela, as ligações de hidrogênio aumentam de uma ligação de 3,4 moléculas para uma ligação de 4 moléculas, o que cria o espaço em excesso e reduz a densidade no gelo.
A estrutura cristalina do gelo é, na verdade, criada e mantida pelas mesmas ligações de hidrogênio que diminuem a densidade das moléculas de água. A diminuição da densidade das moléculas permite que o gelo flutue na água líquida em vez de afundar. Dessa forma, a água e o gelo se comportam de maneira diferente da maioria dos outros líquidos e sólidos do mesmo volume. Geralmente, quando um líquido se solidifica, a energia cinética é reduzida junto com a temperatura. Isso compacta as moléculas mais próximas e torna a versão sólida mais densa do que a versão líquida do mesmo volume. Quando o sólido é mais denso que o líquido, o sólido afunda quando colocado no líquido. Água é a única substância que perde densidade quando congelada.
