¿Cómo pueden el agua caliente y el hielo ser más densos que el agua fría?

Lo tienes al revés El agua a 4 grados Celsius es la más densa, más fría que la menos densa debido a la estructuración, más cálida y menos densa debido a la expansión térmica ordinaria.

El agua es extraña debido a sus fuertes enlaces de hidrógeno entre las moléculas. La mayoría de sus propiedades únicas se deben a eso. Cuando se congela, las moléculas se acomodan en la configuración más favorable, ¡en la que están realmente más separadas que en forma líquida! Por lo tanto, el hielo es menos denso que el agua líquida. El agua entre 0 y 4 C comienza a estructurarse debido a enlaces de hidrógeno, y por lo tanto ya es un poco menos densa.

El agua líquida más caliente es menos densa que más fría porque a medida que se calienta las moléculas se mueven más rápido y más separadas (este es el comportamiento típico de todos los materiales).