Por que o gelo flutua
No gelo, arrumação custa espaço: quatro vizinhos por molécula.
A exceção
Congele quase qualquer coisa e ela encolhe: ferro, chumbo, álcool, azeite, cera. O motivo é óbvio — esfriar é tirar agitação, e partículas menos agitadas se acomodam mais perto umas das outras. O sólido fica mais denso que o líquido e afunda nele. Chumbo sólido afunda em chumbo derretido; cera sólida afunda em cera derretida.
A água faz o contrário. Ao congelar, ela aumenta uns 9% de volume:
É por isso que o gelo flutua, que a garrafa estoura no congelador e que o cano racha no inverno. E não é um detalhe curioso: é uma anomalia, e a vida no planeta depende dela. A causa está na forma da molécula.
A molécula torta
Uma molécula de água é um oxigênio com dois hidrogênios presos nele — e ela não é reta: os dois hidrogênios fazem um ângulo de 104,5°, como um bumerangue. Isso importa porque o oxigênio puxa os elétrons com muito mais força que o hidrogênio (é mais eletronegativo): o lado do oxigênio fica com carga parcial negativa, e a ponta dos hidrogênios, positiva. Se a molécula fosse reta, essas cargas se cancelariam; torta, não cancelam — ela é um dipolo.
A ligação de hidrogênio
Junte muitas dessas moléculas, e o lado positivo de uma cola no lado negativo da vizinha. Essa atração tem nome: ligação de hidrogênio. Ela é uns vinte vezes mais fraca que a ligação que segura a própria molécula — uns 21 kJ/mol contra uns 463 —, mas muito mais forte que a atração entre moléculas comuns. É por isso que a água é líquida na sua cozinha: uma molécula desse tamanho, sem esse grude, seria gás à temperatura ambiente (o sulfeto de hidrogênio, H₂S, primo pesado da água, ferve a −60 °C).
E agora a peça decisiva: cada molécula de água tem exatamente dois hidrogênios para oferecer e dois pares de elétrons livres no oxigênio para receber. Duas para dar, duas para receber: quatro ligações, apontando para os quatro cantos de um tetraedro. Esse número quatro é o que constrói o gelo.
O cristal vazio
Na água líquida as ligações de hidrogênio existem, mas vivem se rompendo e se refazendo, bilhões de vezes por segundo. Nenhuma molécula consegue segurar as quatro por muito tempo; elas se amontoam de qualquer jeito, sempre desarrumadas — e coisa desarrumada se aperta bem.
Esfrie até congelar e as ligações param de se romper. Cada molécula segura as quatro, na geometria que elas exigem, e essa geometria é folgada: manter os quatro vizinhos nos cantos certos obriga as moléculas a ficarem mais afastadas do que ficariam no empurra-empurra do líquido. O cristal de gelo comum (o gelo Ih) é uma estrutura cheia de canais vazios em forma de hexágono — os mesmos hexágonos de um floco de neve, ampliados um milhão de vezes.
A inversão é essa: no gelo, a arrumação custa espaço. O sólido é mais vazio que o líquido porque é mais organizado.
A ponta do iceberg
Um corpo flutua afundando até deslocar o próprio peso em água (o princípio de Arquimedes). Se um bloco de densidade tem volume e afunda uma fração , o empuxo é e o peso é ; iguale os dois:
Para o gelo no mar, 10,6% — é de onde vem “a ponta do iceberg”. Em água doce, 8,3%.
Os quatro graus
E há uma segunda anomalia, ainda mais útil. A água não é mais densa a zero grau: é mais densa a quatro. Esfrie de 10 para 4 °C e ela fica mais pesada, como qualquer líquido; esfrie de 4 para 0 e ela começa a inchar de novo, porque as estruturas abertas do gelo já estão se formando lá dentro, aqui e ali, por instantes.
| Temperatura | Densidade (kg/m³) |
|---|---|
| 0 °C | 999,84 |
| 4 °C | 999,97 |
| 10 °C | 999,70 |
| 20 °C | 998,21 |
Isso decide como um lago congela. No outono a água da superfície esfria, fica mais pesada e afunda, revolvendo o lago inteiro — mas só até os 4 °C. Passou disso, a água fria fica mais leve e permanece em cima, e é ela que vira gelo. O gelo se forma no teto e fica lá, isolando o resto: embaixo, água líquida a 4 °C o inverno inteiro.
E se fosse ao contrário?
Vale imaginar o contrário, porque é o argumento inteiro. Se o gelo afundasse, ele se formaria na superfície e iria para o fundo, onde o sol não chega para derretê-lo. O lago congelaria de baixo para cima e viraria um bloco sólido. Lagos e mares em latitudes altas congelariam por inteiro, e o pouco que derretesse no verão seria uma camada fina por cima. Não haveria onde nada aquático sobrevivesse ao inverno.
O mesmo 9% é uma das ferramentas que esculpem paisagem. A água entra na fenda de uma rocha, congela de noite e empurra as paredes com uma força enorme — o intemperismo por congelamento. Repita por alguns milhares de invernos e a montanha vira pedregulho.
Tudo isso desce de uma coisa só: a molécula de água ser torta e por isso conseguir segurar exatamente quatro vizinhas. Um ângulo de 104,5° entre dois átomos de hidrogênio é o motivo de existir peixe vivo embaixo de um lago congelado.
Os números do episódio
| O que o vídeo diz | Valor | De onde sai |
|---|---|---|
| a água cresce ao congelar | 9,1% | ρ(água a 0 °C)/ρ(gelo) − 1 |
| ângulo entre os hidrogênios | 104,5° | geometria quase tetraédrica |
| ligação de hidrogênio, comparada à O–H | ~22 vezes mais fraca | 21 contra 463 kJ/mol |
| vizinhos de cada molécula no gelo | 4 | 2 hidrogênios dados + 2 pares recebidos |
| fração de um iceberg para fora (mar) | 10,6% | 1 − 916,7/1025 |
| temperatura da água mais densa | ≈ 4 °C | máximo de ρ(T) |
Desafios
Desafio 1 · aquecimento
Uma garrafa de 1 L cheia de água vai para o congelador. Quanto de volume o gelo tenta ocupar?
Ver a solução
Uns L. A garrafa não tem para onde crescer, e a pressão do gelo é suficiente para estourar vidro ou rachar canos de metal.
Desafio 2 · pede uma ideia
Um cubo de gelo flutua num copo cheio até a borda. Quando ele derrete, o copo transborda?
Ver a solução
Não. O gelo flutuando desloca exatamente o próprio peso em água; ao derreter, ele vira exatamente esse peso de água, que ocupa exatamente o volume que ele deslocava. O nível não muda. (Gelo de geleiras sobre terra firme é outra história: esse não estava deslocando água nenhuma, e por isso eleva o mar quando derrete.)
Desafio 3 · pede várias
O gelo de uma geleira derretendo no mar faz o nível subir um pouquinho mesmo quando já flutuava, porque ele é água doce e o mar é salgado. Explique por quê.
Ver a solução
O iceberg desloca uma massa de água do mar igual à dele. Ao derreter, essa massa vira água doce, menos densa que a salgada, e ocupa um volume ligeiramente maior que o volume de mar que ela deslocava: uns a mais. O efeito é pequeno comparado ao do gelo sobre terra, mas existe.
Para ir além
- A água tem várias outras anomalias: capacidade térmica alta, tensão superficial alta, densidade máxima a 4 °C, dezenas de fases de gelo sob pressão. Todas descem das ligações de hidrogênio.
- A mesma pergunta — “de onde vem cada átomo?” — vira conta de massa em a árvore é feita de ar.
No laboratório
As figuras deste episódio, em tamanho grande e com todos os controles.
Shorts deste episódio
Cortes verticais com a mesma narração — e as provas sem palavras que acompanham o tema.
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