Por que o gelo não afunda na água

(Bianca Moura Nickel, Vila Velha, ES)

A água tem uma característica especial: ao congelar, expande seu volume em cerca de 10% (razão pela qual, em regiões muito frias, pode até arrebentar encanamentos, ocasionando grandes transtornos). Isso ocorre devido ao formato angular das moléculas, que não permite que se agrupem muito próximas umas das outras. Resultado: quando o líquido solidifica, essas moléculas ocupam um espaço maior, formando uma estrutura vazada, leve como ar .Esse aumento de volume faz com que o gelo tenha uma densidade menor que a água em estado líquido. É por isso que ele acaba flutuando, em vez de afundar”, afirma o físico Cláudio Furukawa, da Universidade de São Paulo (USP). Além da água, apenas a prata, o bismuto, o antimônio e o ferro-gusa ficam com um volume maior em seu estado sólido.

No estado sólido, as mesmas moléculas formam uma estrutura vazada. Assim, seu volume cresce naturalmente, perdendo densidade e ganhando leveza. É por isso que o iceberg aí ao lado não afunda

Em estado líquido, as moléculas de H2O se agrupam de maneira condensada, muito mais compacta que o gelo

Por que o gelo flutua no topo da água ao invés de afundar, como a maioria dos sólidos? Há duas partes para a resposta para esta questão. Primeiro, vamos dar uma olhada em porque algo flutua. Então, vamos examinar por que o gelo flutua em cima da água líquida, em vez de afundar no fundo.

Por que Ice Floats

Uma substância flutua se for menos densa ou tem menos massa por unidade de volume, do que outros componentes em uma mistura. Por exemplo, se você colocar um punhado de pedras em um balde de água, as rochas, que são densas em comparação com a água, afundarão.

A água, que é menos densa do que as rochas, flutuará. Basicamente, as rochas empurram a água para fora ou deslocam-na. Para que um objeto possa flutuar, ele deve deslocar um peso de fluido igual ao seu próprio peso.

A água atinge a sua densidade máxima a 4 C (40 F). À medida que esfria e congela no gelo, ele realmente se torna menos denso. Por outro lado, a maioria das substâncias é mais densa no estado sólido (congelado) do que no estado líquido. A água é diferente por causa da ligação de hidrogênio .

Uma molécula de água é feita a partir de um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio, fortemente unidos entre si com ligações covalentes . As moléculas de água também são atraídas entre si por ligações químicas mais fracas (ligações de hidrogênio ) entre os átomos de hidrogênio carregados positivamente e os átomos de oxigênio carregados negativamente das moléculas de água vizinhas. À medida que a água esfria abaixo de 4 ° C, as ligações de hidrogênio se ajustam para manter os átomos de oxigênio carregados negativamente.

Isso produz uma rede de cristal, que é comumente conhecida como “gelo”.

O gelo flutua porque é cerca de 9% menos denso que a água líquida. Em outras palavras, o gelo ocupa cerca de 9% mais espaço do que a água, então um litro de gelo pesa menos de um litro de água. A água mais pesada desloca o gelo mais leve, então o gelo flutua no topo.

Uma conseqüência disso é que os lagos e os rios congelam de cima para baixo, permitindo que os peixes sobrevivam, mesmo quando a superfície de um lago se congelou. Se o gelo se afundasse, a água seria deslocada para o topo e exposta à temperatura mais fria, forçando rios e lagos a encher de gelo e congelar sólidos.

Pias de gelo de água pesada

No entanto, nem todo o gelo de água flutua em água regular. O gelo feito com água pesada, que contém o isótopo de hidrogênio do deutério, afunda-se em água regular . A ligação de hidrogênio ainda ocorre, mas não é suficiente para compensar a diferença de massa entre água normal e pesada. Água pesada de gelo cai em águas pesadas.

Antes de demonstrar a presente prática precisamos definir o que é densidade. O conceito pode ser confirmado pela equação que permite calcular a densidade:

d = massa
      volume

Podemos caracterizar uma substância através de sua densidade. A densidade dos sólidos e líquidos é expressa em gramas por centímetro cúbico (g/cm3). Vejamos a densidade de alguns compostos:

Água.......................................0,997 g/cm3

Material:

Procedimento:

1. Coloque cerca de 80 ml de água num copo e a mesma quantidade de álcool etílico no outro copo;

2. Adicione um cubo de gelo em cada copo;

3. Observe o que acontece.

Explicação: O gelo flutua na água líquida por que sua densidade é inferior, por outro lado, o gelo afunda no álcool por ser mais denso que esse.

O gelo flutua na água, porque sua densidade é menor do que a da água líquida em temperatura ambiente.

A água ao congelar, expande seu volume em cerca de 10% (razão pela qual, em regiões muito frias, pode até arrebentar encanamentos, ocasionando grandes transtornos).

Isso ocorre devido ao formato angular das moléculas, que não permite que se agrupem muito próximas umas das outras. Assim, quando o líquido solidifica, essas moléculas ocupam um espaço maior, formando uma estrutura vazada, leve como ar . Esse aumento de volume faz com que o gelo tenha uma densidade menor que a água em estado líquido.

Essa é uma propriedade incomum, porque a maioria das substâncias puras é mais densa no estado sólido do que no líquido. Além da água, apenas a prata, o bismuto, o antimônio e o ferro-gusa ficam com um volume maior em seu estado sólido.

É por isso que o gelo acaba flutuando, em vez de afundar.

Já observou que ao colocarmos o gelo em um copo com água ele flutua, enquanto que em um copo com bebida alcoólica, como o uísque, ele afunda? Por que isso ocorre?

Bem, isso é explicado pela densidade dessas substâncias. Densidade é a medida da massa de uma substância pelo volume ocupado por ela:

Se a densidade de determinada substância for maior, ela irá afundar na que tem menor densidade e vice-versa. A densidade da água é 1,0 g/mL, do gelo é 0,9 g/mL e do álcool é 0,7 g/mL. Dessa forma, entre o gelo e a água, o gelo tem menor densidade, por isso ele flutua. No entanto, entre o gelo e o álcool, o gelo é mais denso, por isso ele afunda.

Note que o gelo não fica totalmente em cima da água. Visto que sua densidade é 0,9 g/mL e da água é 1,0 g/mL, isso quer dizer que 90% do gelo fica debaixo da água e apenas 10% dele fica acima da superfície do líquido. Isso pode ser visto nos icebergs, que parecem ser grandes acima da superfície; no entanto, a maior parte deles está encoberta pela água.

Entretanto, surge outra pergunta:

As substâncias costumam ser mais densas no estado sólido do que no estado líquido, pois suas partículas ficam mais agrupadas; então por que a água contraria essa regra?

Isso se dá em razão do tipo de força intermolecular que existe entre as moléculas de água, que é a ligação de hidrogênio. A ligação de hidrogênio na água ocorre porque ela é polar, ou seja, apresenta dipolos elétricos entre seus átomos. O oxigênio é mais eletronegativo, por isso ele adquire uma carga parcial negativa (δ-), enquanto os hidrogênios possuem uma carga parcial positiva (δ+).

Por isso as suas moléculas se atraem: os hidrogênios são atraídos pelos átomos de oxigênio das moléculas vizinhas, conforme é possível visualizar na figura abaixo:

Na água líquida, as moléculas ficam dipostas tridimensionalmente, porém de modo mais espalhado. Já no gelo, essas moléculas ficam mais rígidas, de forma cristalina com espaços vazios, causados pelas ligações de hidrogênio. Esses espaços vazios são os responsáveis pela diminuição da densidade do gelo e, por isso, ele flutua na água.