Por que o gelo flutua

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:

$$\frac{{\rho }_{\text{aˊgua, 0 °C}}}{{\rho }_{\text{gelo}}}=\frac{\approx 999,8{\text{kg/m}}^3}{\approx 916,7{\text{kg/m}}^3}\approx 1,09.$$

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 ${\rho }_c$ tem volume $V$ e afunda uma fração $f$, o empuxo é ${\rho }_{\ell }fVg$ e o peso é ${\rho }_{c}Vg$; iguale os dois:

$$f=\frac{{\rho }_c}{{\rho }_{\ell }},\text{frac¸a˜o para fora}=1-\frac{{\rho }_c}{{\rho }_{\ell }}.$$

Para o gelo no mar, $1-916,7/1025\approx$ 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

Desafios

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.