Почему вещества при охлаждении теряют объем, а вода, замерзая, увеличивает?

Потому что кристаллическая структура льда более рыхлая, чем у жидкой воды (обычно бывает наоборот: твердое состояние более компактное, чем жидкое). Это связано с образованием довольно прочных водородных связей между молекулами воды и конкретной кристаллической решеткой льда. Такое же свойство есть и у других веществ. Например, у галлия, чугуна и др.