abaixo de 4 ° C, As ligações de hidrogénio entre moléculas de água tornam-se mais fortes e fazem com que a matéria se expanda. Como as ligações entre as moléculas de água são mais fortes, elas são menos propensas a quebrar e se formar como fazem no estado líquido. Como um líquido, as moléculas de água estão constantemente se movendo (formando e quebrando ligações de hidrogênio) resultando em menos expansão. Quando congeladas, as moléculas de água têm uma forma mais definida e se organizam em estruturas cristalinas de seis lados., O arranjo cristalino é menos denso que o das moléculas na forma líquida, o que torna o gelo menos denso que a água líquida. Quando a água congela, o volume se expande em aproximadamente 9%.
File:Wasserstoffbrückenbindungen-Wasser. estruturas sólidas e líquidas de água (svg) quando as moléculas de água estão no estado líquido, as ligações de hidrogénio estão continuamente a ser formadas e reformadas de uma forma desordenada. A quantidade média de ligações H que uma molécula de água tem a 25°C é de 3,4 ligações., Durante o congelamento, as moléculas de água perdem energia e não vibram nem se movem tão vigorosamente. Isto permite que ligações de hidrogênio mais estáveis se formem entre moléculas de água, uma vez que há menos energia para quebrar as ligações. Devido à estrutura de retículos de cristal imposta às moléculas de água uma vez que o ponto de congelação é alcançado, a média de ligações H por molécula de água está muito mais perto de seu máximo, 4 ligações. A forma ordenada e cristalina em que as ligações de hidrogênio formam faz com que a densidade diminua porque cada molécula de água é mantida longe de seus vizinhos a uma distância igual ao comprimento das ligações de hidrogênio., Assim, a água expande-se à medida que congela, e o gelo flutua no topo da água. Esta propriedade é crucial para a vida tal como a conhecemos. Placas de gelo na superfície do oceano isolam a água por baixo e permitem que os organismos vivam em regiões polares do mundo, e também impedem que os oceanos congelem sólidos.