Was ist die genaue Ursache für die ungewöhnliche Ausdehnung von Wasser beim Gefrieren?

das ist wie mit Kleiderbügeln. Wenn man sie ordentlich nebeneinanderlegt, braucht man mehr Platz, als wenn man sie raumsparend durcheinanderschüttet.

Das sich Wasser ausdehnt beim Gefrierpunkt sind den Wassermölekülen verschuldet, denn sie nehmen eine hexagonale Struktur an, die dazu führt das der Abstand zwischen den einzelnen Wassermolekülen zunehmt.

Das liegt an den unterschiedlichen Ladungen von H und O. H ist positiv geladen und O negativ. Deshalb gibt es eine Spannungsschieflage.

Je kälter H und O werden, desto weniger stoßen sie sich ab. Bei 4° kippt dieser Prozess aber.

Das liegt daran, dass H sich lieber zu O ausrichtet und somit Wassertoffbrücken entstehen. Über 4° sind diese Brücken so groß, dass sich noch Moleküle dazwischen legen können. Bei unter 4° sind die Brücken zu schmal damit sich dort Moleküle zwischenlegen können.

Deshalb bleiben die Wasserstoffbrücken leer und dies führt dazu, dass das Volumen wieder ansteigt.

Änderungen der Kristallstruktur. Es bilden sich Löcher, die mehr Volumen fordern als eine Flüssigkeit.