Nejpřímější odpovědí je, že voda ve formě ledu I (nebo $ \ ce {I_h} $) má otevřenou hexagonální strukturu (viz obrázek), zatímco kapalná voda nikoli. V ledu jsou kyslíky přesně čtyřboká, kde je každý kyslík vodíkově vázán čtyřmi sousedními kyslíky se vzdáleností O..O přibližně 0,28 nm. Atomy H leží velmi blízko podél O-O os. Dvě z H vazeb jsou krátké, jako v kapalné vodě, a dvě jsou dlouhé. Očekává se to z výpočtů zbytkové entropie a také z experimentů s tepelnou a neutronovou difrakcí.

Jelikož tato ledová struktura má poměrně otevřenou mřížku, je důvodem, že její hustota je v bodě mrazu menší než hustota kapalné vody, spíše než kvůli vysoké hustotě vody. Dalo by se namítnout, že důvodem, proč je hustota vody maximální při 4 $ \ ce {^ 0C} $ (277 K), je to, že struktura kapalné vody se mění od ledové $ \ ce {I_h} $ k krátkému dosahu struktura kapaliny.

Kapalná voda je samozřejmě také vysoce vodíkově vázaná, ale energie navíc, kterou obsahuje, znamená, že její struktura je mnohem méně pravidelná, a proto je o něco hustší než led. Vzhledem k tomu, že se molekuly vody mohou v kapalině pohybovat více než v ledu, vodíkové vazby se při rotaci molekul trochu ohnou nebo rozbijí. To povede ke kratší vzdálenosti O - O a tím k mírně vyšší hustotě v kapalině než v pevné látce.

viz také odpovědi na tento příspěvek Proč je opravdu led méně hustý než voda?

Tento obrázek ukazuje hexagonální strukturu ledu; Atomy O jsou zobrazeny jako tečky a čáry jsou (téměř lineární) OHO vazby. (Obrázek z Murrell & Jenkins 'Vlastnosti kapalin & řešení')

(Led také vykazuje osm různých fází v závislosti na teplotě a tlak, z nichž $ \ ce {I_h} $ je ten, který se nachází za normálního atmosférického tlaku. V těchto dalších fázích jsou úhly zkresleny z toho, že jsou čtyřboké)

Přímo z Wikipedie...

Hustota vody je přibližně 1 gram na kubický centimetr (62 lb / cu ft): tento vztah byl původně použit k definování gramu. Hustota se mění s teplotou, ale ne lineárně: jak teplota stoupá, hustota stoupá k vrcholu při 3,98 ° C (39,16 ° F) a poté klesá. Tato neobvyklá negativní tepelná roztažnost pod 4 ° C (39 ° F) je také pozorována v roztaveném oxidu křemičitém. Pravidelný šestihranný led je také méně hustý než kapalná voda - po zamrznutí se hustota vody sníží asi o 9%.

Tyto účinky jsou způsobeny snížením tepelného pohybu s chlazením, což umožňuje molekulám vody tvoří více vodíkových vazeb, které zabraňují molekulám přiblížit se k sobě. Zatímco pod 4 ° C rozbití vodíkových vazeb v důsledku zahřívání umožňuje molekulám vody přiblížit se navzdory nárůstu tepelného pohybu (který má tendenci expandovat kapalinu), nad 4 ° C voda expanduje se zvyšováním teploty. Voda v blízkosti bodu varu je asi o 4% méně hustá než voda při 4 ° C.

Dalšími látkami, které při zmrazování expandují, jsou kyselina octová, křemík, galium, germanium, antimon, vizmut, plutonium a také chemické sloučeniny, které tvoří prostorné krystalové mřížky s čtyřboká koordinace.