sub 4°C, legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă devin mai puternice și determină extinderea materiei. Deoarece legăturile dintre moleculele de apă sunt mai puternice, este mai puțin probabil să se rupă și să se re-formeze așa cum se întâmplă în stare lichidă. Ca lichid, moleculele de apă se mișcă constant (formând și rupând legăturile de hidrogen), rezultând o expansiune mai mică. Când sunt înghețate, moleculele de apă iau o formă mai definită și se aranjează în structuri cristaline cu șase fețe., Aranjamentul cristalin este mai puțin dens decât cel al moleculelor sub formă lichidă, ceea ce face ca gheața să fie mai puțin densă decât apa lichidă. Când apa îngheață, volumul se extinde cu aproximativ 9%.

când moleculele de apă sunt în stare lichidă, legăturile de hidrogen sunt formate continuu și reformate într-o manieră dezordonată. Cantitatea medie de legături H pe care o moleculă de apă o are la 25°C este de 3,4 legături., În timpul înghețării, moleculele de apă pierd energie și nu vibrează și nu se mișcă la fel de puternic. Acest lucru permite formarea unor legături de hidrogen mai stabile între moleculele de apă, deoarece există mai puțină energie pentru a rupe legăturile. Datorită structurii rețelei cristaline impuse moleculelor de apă odată ce punctul de îngheț este atins, legăturile medii H per moleculă de apă sunt mult mai aproape de legăturile sale maxime, 4. Modul ordonat, cristalin în care se formează legăturile de hidrogen determină scăderea densității, deoarece fiecare moleculă de apă este ținută departe de vecinii săi la o distanță egală cu lungimea legăturilor de hidrogen., Astfel, apa se extinde pe măsură ce îngheață, iar gheața plutește deasupra apei. Această proprietate este crucială pentru viață așa cum o știm. Straturile de gheață de pe suprafața oceanului izolează apa de dedesubt și permit organismelor să trăiască în regiunile polare ale lumii și, de asemenea, împiedică oceanele să înghețe solid.