Por que o gelo flutua na água (e por que isso salva os peixes no inverno)
Ao congelar, a água se organiza numa rede aberta de ligações de hidrogênio e fica menos densa que o líquido. Esse detalhe químico impede que lagos congelem de baixo para cima.
Coloque um cubo de gelo num copo d'água e ele boia, com a maior parte submersa e uma pontinha para fora. Parece óbvio, mas é uma exceção: na maioria das substâncias, o sólido é mais denso que o líquido e afunda. A água faz o contrário, e a explicação está na forma como suas moléculas se encaixam.
Uma exceção à regra
Em geral, quando um líquido esfria, suas moléculas se movem menos e se aproximam. Ao solidificar, elas se arrumam de modo compacto, e o sólido ocupa menos espaço. Por isso, um pedaço de parafina sólida afunda na parafina derretida.
Com a água acontece outra coisa. A 0 °C, a água líquida tem densidade de cerca de 0,9998 g/cm³, enquanto o gelo comum tem cerca de 0,917 g/cm³. As fontes arredondam essa diferença de formas um pouco distintas: o Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS) fala em gelo cerca de 9% menos denso; pelos valores exatos, a diferença de densidade fica perto de 8%, o que corresponde a um aumento de volume de cerca de 9% ao congelar. Na prática, isso faz cerca de 90% de um cubo de gelo ou de um iceberg ficar abaixo da linha d'água.
O papel das ligações de hidrogênio
Uma molécula de água tem um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio. O oxigênio puxa os elétrons para si, deixando os hidrogênios levemente positivos e o oxigênio levemente negativo. Assim, o hidrogênio de uma molécula é atraído pelo oxigênio da vizinha. Essa atração é a ligação de hidrogênio.
No líquido, essas ligações se formam e se desfazem o tempo todo, e as moléculas conseguem se aproximar bastante. No gelo comum, chamado de gelo Ih, elas ficam fixas: cada oxigênio fica cercado por quatro hidrogênios, dois da própria molécula e dois de moléculas vizinhas. O resultado é uma rede cristalina hexagonal, cheia de espaços vazios no centro dos hexágonos. Mais espaço vazio para a mesma massa significa menor densidade.
| Situação | Densidade aproximada (g/cm³) |
|---|---|
| Água líquida perto de 4 °C | 1,000 |
| Água líquida a 25 °C | 0,997 |
| Água líquida a 0 °C | 0,9998 |
| Gelo comum a 0 °C | 0,917 |
Por que a água é mais densa perto de 4 °C
A água líquida tem outra peculiaridade: sua densidade máxima não está no ponto de congelamento, mas por volta de 4 °C (mais precisamente, cerca de 3,98 °C). Acima dessa temperatura, ela se comporta como a maioria dos líquidos: esquenta e se expande. Abaixo dela, porém, começa a se expandir de novo enquanto esfria.
A explicação mais aceita é uma disputa entre dois efeitos. O resfriamento reduz a agitação e aproxima as moléculas, mas também favorece arranjos mais abertos, parecidos com os do gelo. Abaixo de cerca de 4 °C, o segundo efeito vence. Os detalhes da estrutura da água líquida ainda são tema de pesquisa, mas o fato medido, a densidade máxima perto de 4 °C, é consenso.
O que isso significa para a vida num lago congelado
Em regiões frias, essa combinação muda o destino dos lagos no inverno. No outono, a água da superfície esfria, fica mais densa e afunda, misturando o lago até ele todo chegar perto de 4 °C. A partir daí, a água da superfície que continua esfriando fica mais leve, permanece em cima e pode congelar.
- O gelo se forma na superfície e flutua, em vez de afundar e se acumular no fundo.
- A camada de gelo isola a água de baixo do ar gelado, o que retarda o congelamento.
- O fundo do lago tende a ficar perto de 4 °C, a água mais quente do lago nessa época.
- Peixes e outros organismos passam o inverno nessa água líquida sob o gelo.
Se o gelo afundasse, os lagos poderiam congelar de baixo para cima e ficar sólidos, com pouca ou nenhuma vida dentro. Na primavera, quando o gelo derrete e a água volta a ficar uniforme perto de 4 °C, vento e correntes misturam o lago de novo, levando oxigênio para o fundo e nutrientes para a superfície.
Consequências no dia a dia
A expansão da água ao congelar também tem um lado incômodo. Ela pode estourar canos, rachar garrafas esquecidas no congelador e danificar estradas quando a água infiltrada em fissuras congela. Por isso, não convém congelar bebidas em recipientes de vidro totalmente cheios e fechados.
Em resumo: o gelo flutua porque as ligações de hidrogênio prendem as moléculas numa rede aberta, que ocupa mais espaço do que a água líquida. Esse mesmo comportamento faz a água ser mais densa perto de 4 °C e garante que lagos congelem por cima, mantendo água líquida e vida por baixo durante o inverno.
