Gdy woda zamarza w lodzie, zmiana temperatury tworzy nadmiar wiązań wodorowych między cząsteczkami wody, które zwiększają przestrzeń między cząsteczkami. Dodatkowa przestrzeń stworzona zmniejsza gęstość wody podczas jej zamrażania, sprawiając, że lód jest mniej gęsty niż woda. Zamiast cząsteczek mocujących się szczelniej razem i tworząc gęstszą gęstość, gdy woda zamarza, wiązania wodorowe zwiększają się od wiązania 3.4-molekularnego do wiązań 4-cząsteczkowych, co tworzy nadmiar przestrzeni i zmniejszoną gęstość w lodzie.
Struktura krystaliczna lodu jest faktycznie tworzona i utrzymywana przez te same wiązania wodorowe, które zmniejszają gęstość cząsteczek wody. Zmniejszona gęstość cząsteczek pozwala lodzie na pływanie w płynnej wodzie zamiast zatapiania. W ten sposób woda i lód zachowują się inaczej niż większość innych cieczy i ciał stałych o tej samej objętości. Zasadniczo, gdy ciecz zestala się, energia kinetyczna jest zmniejszana wraz z temperaturą. Spakuje to cząsteczki bliżej siebie i sprawia, że wersja stała jest bardziej gęsta niż wersja płynna o tej samej objętości. Gdy ciało stałe jest bardziej gęste niż ciecz, ciało stałe opada po umieszczeniu w cieczy. Woda jest jedyną substancją, która traci gęstość po zamrożeniu.
