¿Por qué el agua se contrae al derretirse mientras que el oro, el plomo, etc. se expanden al derretirse?

Es por la estructura cristalina de los sólidos. Cuando el agua se congela, las moléculas forman varias estructuras de cristales que tienen espacios vacíos que hacen que el sólido sea aproximadamente un 9% más grande en volumen que el líquido. Los metales también suelen formar cristales cuando se congelan, pero a menudo son cristales más simples, por así decirlo, y a menudo no tienen tanto espacio vacío como el hielo o la nieve.

La transición de fase de fusión transforma la estructura sólida cristalina ordenada de largo alcance en la estructura líquida promedio ordenada de corto alcance. Mirando el proceso desde el lado sólido, la fusión puede verse como el efecto dramático de una acumulación colectiva de defectos en el sólido durante un intervalo limitado de temperatura, que eventualmente destruye el orden de largo alcance en el punto de fusión.

El cambio de densidad que acompaña a la fusión se puede explicar en términos del tipo de defectos dominantes y estos, a su vez, dependen de la estructura sólida. En particular, los materiales caracterizados por interacciones casi isotrópicas entre las moléculas cristalizan en estructuras tridimensionales compactas, como la estructura cúbica centrada en las caras (fcc). En tal caso, el efecto dominante del crecimiento exponencial de los defectos en la transición de fusión es una disminución repentina de la densidad al pasar del sólido al líquido.

La situación se invierte en materiales como el agua y elementos como el bismuto o el silicio, donde las interacciones moleculares o atómicas son muy anisotrópicas. En el caso del agua, la forma de la molécula y el importante papel del enlace de hidrógeno favorecen una estructura abierta del cristal del mismo modo que la interacción anisotrópica entre los átomos de silicio favorece la estructura abierta del diamante. En el punto de fusión, los defectos más frecuentes en tales estructuras abiertas inducen un colapso local y global de la estructura cristalina, creando las condiciones para una fase líquida con una densidad más alta que el sólido coexistente.

En resumen, la razón del aumento de la densidad en el punto de fusión de algunos materiales como el agua se remonta a la presencia de interacciones anisotrópicas dominantes que favorecen la estructura cristalina abierta en la fase sólida.

Puede tratar de encontrar similitudes entre el agua y el bismuto, ambos se expanden cuando se solidifican. La mayoría de los otros materiales se contraen cuando se solidifican.

Depende principalmente de la estructura cristalina. El agua en forma de hielo tiene una estructura cristalina que ocupa más espacio que el agua líquida.

La razón se atribuye a los enlaces de hidrógeno que determinan la estructura del hielo. Las moléculas de agua en el hielo están dispuestas en forma de jaula, con espacios bastante huecos entre ellas, gracias a los enlaces de hidrógeno que se muestran como líneas de puntos:

Cuando el hielo se derrite, la energía suministrada ayuda a romper estos enlaces de hidrógeno, y las moléculas de agua se acercan, aumentando así la densidad del agua, o 'contrayéndola'. Este proceso continúa hasta que el agua alcanza unos 4 grados centígrados, momento en el que el agua tiene la mayor densidad. Después de esto, el agua se expande como cualquier otro líquido.
Esta propiedad tiene una aplicación interesante, pero igualmente importante, en la naturaleza. Como el hielo es menos denso que el agua, flota hacia la superficie de los cuerpos de agua y actúa como aislante térmico del mundo submarino. Esta es una bendición para los animales acuáticos y los peces durante los duros inviernos.
También explica otras propiedades del agua como el calor latente de fusión inusualmente alto y el calor específico.

La estructura del hielo proviene de los enlaces de hidrógeno. Esto ocurre porque los electrones son atraídos con más fuerza por el átomo de oxígeno, por lo que este átomo es ligeramente negativo, mientras que los átomos de hidrógeno se vuelven ligeramente positivos. Puedes pensar que los electrones pasan más tiempo cerca del átomo de oxígeno. Cuando pones esto junto con la forma de V poco profunda de una molécula de agua, el resultado es que las moléculas se unen con los átomos de hidrógeno en una molécula cerca de los átomos de oxígeno en otras moléculas.

La estructura resultante no es el empaquetamiento más pequeño posible para las moléculas. El agua es más densa que el hielo porque en el agua las moléculas pueden moverse a posiciones donde hay un empaquetamiento más compacto a medida que se mueven. A medida que la temperatura del agua sube a aproximadamente 4°C, la efectividad de los enlaces de hidrógeno disminuye a medida que las moléculas se mueven más rápido y el agua continúa contrayéndose. Por encima de esa temperatura, la velocidad de las moléculas y las colisiones entre ellas provocan la expansión, al igual que ocurre con la mayoría de las sustancias.

Bajo presiones muy altas, las fuerzas del enlace de hidrógeno en el hielo pueden superarse y pueden existir otras formas de hielo más densas.

Tiene algo que ver con que el agua es un compuesto algo inusual que es más denso y, por lo tanto, ocupa menos espacio como líquido que como sólido. Una mayor presión empuja al material a ocupar menos volumen y el agua líquida ocupa menos volumen que el agua sólida.

Si alguien quiere dar más detalles, siéntase libre, pero creo que esa es la esencia.

Desde el punto de vista termodinámico se debe considerar la ecuación de Clausius-Clapeyron: dp/dT=lambda/[T(V2-V1)]

donde lambda es el calor de transformación, p, T y V los significados habituales.

En el diagrama de fase pT del H2O puro, la curva de equilibrio que separa el hielo normal del agua tiene una pendiente negativa y, por lo tanto, dp/dT<0.

Cuando derrite el hielo, debe dar calor y, por lo tanto, lambda es positiva; obviamente T>0.

Entonces (V2-V1) debe ser negativo, es decir V1 (volumen de hielo) > V2 (volumen de agua).

En términos generales, cuando la curva de equilibrio que separa la fase líquida de la sólida es dp/dT<0, tienes un volumen mayor en el sólido; lo contrario para dp/dT>0.