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Densidade da água e do gelo[editar | editar código-fonte]
| T (°C) | μ (g.cm–3) |
|---|---|
| Densidade absoluta (ou massa específica) da água (em gramas por centímetro cúbico), | |
A forma sólida da maioria das substâncias é mais densa que a fase líquida; assim, um bloco de uma substância sólida pura afunda num recipiente cheio da mesma substância líquida pura. Mas, ao contrário, um bloco de gelo comum flutua num recipiente com água, porque a água sólida é menos densa que a água líquida. Essa é uma propriedade característica da água e extremamente importante. Consiste na chamada "dilatação anômala da água".
Dilatação anômala da água[editar | editar código-fonte]
Dilatação anômala da água, conforme se reporta, é o nome dado para caracterizar que a água apresenta um comportamento de dilatação (e, de modo conjugado, de contração) anômalo ou incomum. Consiste no seguinte: à temperatura ambiente, a água líquida fica mais densa à medida que diminui a temperatura, da mesma forma que as outras substâncias. Mas a 4 °C (3,98 °C, mais precisamente), logo antes de congelar, a água atinge sua densidade máxima e, ao aproximar-se mais do ponto de fusão, a água, sob condições normais de pressão, expande-se e torna-se menos densa. Isso se deve à estrutura cristalina do gelo, conhecido como gelo Ih hexagonal. A água, o chumbo, o urânio, o neônio e o silício são alguns dos poucos materiais que se expandem ao se solidificar; a maioria dos demais elementos se contrai. Deve-se notar, porém, que nem todas as formas de gelo são menos densas que a água líquida pura. Por exemplo, o gelo amorfo de alta densidade é mais denso que a água pura na fase líquida. Assim, a razão pela qual a forma comum do gelo é menos densa que a água é um pouco não-intuitiva e depende muito das propriedades incomuns inerentes às ligações de hidrogênio.
Geralmente, a água se expande ao congelar devido à sua estrutura molecular aliada à elasticidade incomum das ligações de hidrogênio e à conformação cristalina particular de baixa energia que ela assume em condições normais de pressão. Isto é, ao resfriar-se, a água tenta organizar-se numa configuração de rede cristalina que alonga as componentes rotacionais e vibracionais das pontes, de forma que cada molécula de água é afastada das vizinhas. Isso efetivamente reduz a densidade ρ da água quando se forma gelo sob condições normais de pressão.
A água compartilha o estado líquido mais denso com apenas alguns outros materiais, como o gálio, o germânio, o bismuto e o antimônio.
A água desempenha ainda um papel importante no ecossistema da Terra. Por exemplo, se a água fosse mais densa quando congelada, os lagos e os oceanos nas regiôes polares terminariam por ficar inteiramente sólidos (da superfície ao fundo). Isso aconteceria porque o gelo desceria para o leito dos lagos e rios, e o fenômeno de aquecimento necessário (veja abaixo) não aconteceria no verão, pois a camada de superfície mais quente seria menos densa que a camada congelada abaixo. É uma característica significativa da natureza que isso não ocorra naturalmente no meio-ambiente.
De qualquer forma, a expansão incomum da água em resfriamento (em condições naturais em sistemas biológicos relevantes) entre 0 e 4 °C, devido às ligações de hidrogênio, dá uma vantagem importante à vida aquática no inverno. A água resfriada na superfície aumenta de densidade e desce, formando correntes de convecção que resfriam toda a massa de água, mas quando a temperatura da água chega a 4 °C, a água na superfície diminui de densidade à medida que se resfria e forma uma camada superficial, que congela. Como a descida por convecção da água mais fria é impedida pela mudança de densidade, qualquer grande massa de água tem sua região mais fria próximo à superfície, longe do leito.
A água congela a 0 °C (32 °F, 273 K), mas pode ser superfundida em estado fluido até sua nucleação cristalina homogênea a quase 231 K (−42 °C) [2].
A água se expande significativamente à medida que a temperatura sobe. Sua densidade é 4% menor que a máxima quando a temperatura está próxima do ponto de ebulição.