En la mayoría de las , el es más denso que el . El agua es una excepción importante.
Las moléculas de agua se atraen mediante interacciones llamadas enlaces de hidrógeno. En el agua líquida, las moléculas se mueven y pueden empaquetarse relativamente cerca. Cuando se forma hielo, esas interacciones favorecen una cristalina más ordenada y abierta. Al quedar las moléculas más separadas, aumenta el volumen y disminuye la .
Un objeto flota si su densidad media es menor que la del líquido que desplaza. Por eso un cubo de hielo queda parcialmente fuera del agua. El hielo común es aproximadamente un 9 % menos denso que el agua líquida.
Esta propiedad tiene consecuencias enormes. Si el hielo se hundiera, los lagos en invierno podrían congelarse desde el fondo hacia arriba. En cambio, el hielo se forma en la superficie y actúa como una capa , dejando agua líquida debajo donde pueden sobrevivir organismos acuáticos.
Un ejemplo: llena casi por completo un recipiente con agua, marca el nivel y congélalo. El hielo ocupará algo más de volumen. Es la misma razón por la que una botella completamente llena de agua puede romperse si se congela.
Otra rareza del agua ayuda a entender por qué este tema importa tanto: el agua líquida alcanza su máxima densidad cerca de 4 °C. Al enfriarse por debajo de ese punto empieza a expandirse antes incluso de congelarse. En un lago, esto favorece que el agua más fría permanezca cerca de la superficie, donde finalmente puede formarse hielo, mientras queda agua líquida más densa debajo.
Por qué llegamos a esta respuesta: la densidad del agua y la estructura del hielo están muy bien establecidas experimentalmente. Aquí la explicación principal no es controvertida.