魚にとって水は空気のような存在です
その空気を綺麗にするという行為。それが水換えです。
正しい水換えにおいてはメダカが死ぬということはありえません。
エラは「肺」以上の役割を持つ
人間にとっての空気(肺呼吸)は酸素を取り込むだけですが、魚の「エラ」は酸素の摂取だけでなく、体内の「浸透圧調整(塩分濃度の調整)」や「老廃物(アンモニア)の排出」も行っています。
つまり、水換えは単に汚れを取るだけでなく、メダカが生命活動を維持するための機能(エラ)を守るために必要不可欠です。

この原因大きく分けると2パターンあると思います。
この場合は単純に水の換え方に問題があります。
一言でいえば、
例えば、水温25℃の飼育水に水温10℃の冷水で水換えしたらメダカたちはストレスで病気になってしまいます。
水温が25℃の時には体温も約25℃です。そこへ人の手によって仮に10℃の水が加えられると一気に体温が下がります。
魚たちにとっての水温2~3度の変化は人にとっての5~10度の変化に匹敵すると思い水換えしてみてください。
また水質に関しても同様です。水にはpHや硬度など水質と呼ばれるものがあります。
水質急変の恐ろしさ
水質が急変すると、メダカはエラの細胞を守ろうとして過剰に粘膜を出したり、逆に粘膜が剥がれてしまったりします。
人間で例えるなら、高山病で呼吸困難になっている状態で全力疾走させられるような強い負荷がかかり、最悪の場合、呼吸不全で死に至ります。
これらの水質も水温同様に急変するとメダカたちはダメージを受けます。
比較的暖かい季節や、普段頻繁に小まめに水換えをしている容器であれば水換えがダメージになることは少ないです。
ただ、冬場だったり、越冬明けの春先など、寒い季節やしばらく水換えしていなかった時などには注意が必要です。
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例えば、一度に1/2の換水をするよりも1/4の換水を2日連続で行った方が魚たちへの負担は少なくなります。
10リットル換える予定であれば、5リットルずつ二日に分けて換えることで負担は少なくなります。

この場合は単に日ごろの管理不足、部分換水、ちょっとした水換えによる変化にすら耐えられないほど弱っていたということです。
メダカたちは病気になり弱った状態でも、1か月~2か月と生きているほど強い魚です。
ただ、だからといって健康な状態とは言えません。
汚れた水にメダカが無理やり体を合わせようとしてエネルギーを使い果たしている状態です。
この「悪い環境に適応してギリギリ生きている状態」で、急に綺麗な水が入ってくると、その変化に体を合わせ直す体力が残っておらず、力尽きてしまいます。

こういった状態で飼育されていたメダカたちは
本来は耐えられるはずの水換えによる水質変化に耐えなれないほど弱っており、水換えによる僅かな変化で死んでしまうほどに魚を弱らせてしまっていた。といえます。