No creo que esta cuestión esté del todo resuelta, ¡el agua es una molécula fascinante! Pero he aquí algunas reflexiones.
Está claro que si el hielo es más ligero que el agua líquida es porque no se empaqueta tan bien. Es un ejemplo de cómo un empaquetamiento aleatorio puede ser más eficiente que un empaquetamiento ordenado (no cerrado) de una molécula de forma "extraña". Imagínate que metes los LEGOs en una caja, en lugar de colocarlos de forma ordenada y con una separación de cinco centímetros.
¿Por qué? Para solidificar el agua debería entrar en una fase cristalina, pero eso requiere acomodar el extraño ángulo de enlace del agua (que no es del todo tetragonal, que se empaqueta fácilmente. Véase C, Si, ect) de una manera que pueda hacerse infinitamente periódica, tan compacta como sea posible, y que aún satisfaga los requisitos de energía. Debido en gran parte a este extraño ángulo de unión, el empaquetamiento resultante necesita volumen.
En cambio, en la fase líquida, las moléculas no tienen que estar en sitios específicos. Más bien se intenta maximizar los enlaces de hidrógeno. Esto conduce (por ejemplo) a las cadenas de agua. Mientras tanto, la energía térmica trata de revolver todo, lo que rompe estas cadenas (longitud media de 7, si no recuerdo mal).
El efecto general es que las moléculas de agua en el líquido pueden meterse en espacios reducidos, y permanecer el tiempo suficiente para marcar la diferencia, no pueden en la fase de hielo.
