Quer sejam cubos em uma bebida ou grandes blocos no mar, é um fato básico da natureza que o gelo flutua. Mas já se perguntou o por quê?
O gelo flutua na água devido a uma propriedade única da água conhecida como expansão ao congelar. A maioria das substâncias se contrai quando passa do estado líquido para o sólido, mas a água faz o oposto.
Quando a água líquida se transforma em gelo, as moléculas de água se organizam em uma estrutura cristalina aberta, formando uma rede tridimensional. Essa estrutura de gelo ocupa mais espaço do que as moléculas de água no estado líquido. Como resultado, o gelo tem uma densidade menor do que a água líquida.
A densidade é a relação entre a massa e o volume de uma substância. Quando a água congela, ela se expande, ocupando mais volume sem aumentar significativamente sua massa. Como o gelo é menos denso do que a água líquida, ele flutua na superfície.
Esse fenômeno é crucial para a vida na Terra, pois permite que os lagos e os corpos d’água congelem de cima para baixo, criando uma camada protetora de gelo que isola o ambiente aquático abaixo, preservando a vida marinha durante os meses frios.
E por que quando o gelo derrete não há aumento do volume da água onde ele estava?
Se você colocar água em um copo e depois adicionar alguns cubos de gelo, o volume da água não aumentará. É interessante porque é como se fosse adicionada mais água (só que nos estado sólido), mas mesmo assim não há aumento de quantidade presente ali.
Quando o gelo derrete em um copo com água, não há aumento do volume da água líquida por uma razão fundamental: a água passa por uma mudança de fase do estado sólido (gelo) para o estado líquido sem sofrer uma alteração significativa em sua densidade.
Durante o processo de fusão, as moléculas de gelo absorvem energia térmica do ambiente, aumentando sua energia cinética. Esse aumento na energia cinética permite que as moléculas de água no estado sólido superem as forças que as mantêm na estrutura cristalina do gelo, transformando-as no estado líquido.
A densidade da água líquida é ligeiramente maior do que a do gelo, devido à estrutura molecular mais compacta no estado líquido. Entretanto, como o gelo flutua na água (como discutido anteriormente), quando o gelo derrete, as moléculas líquidas ocupam praticamente o mesmo espaço que as moléculas de gelo ocupavam anteriormente. Portanto, não há um aumento significativo no volume total da água quando o gelo derrete no copo, porque a densidade da água líquida é próxima à densidade do gelo.
Contudo, isso não ocorre com outros líquidos ou compostos caso seja adicionado gelo. Por exemplo, em um copo de suco o volume dele aumentará quando os cubos de gelo derreterem. Ao adicionar gelo ao suco, você está efetivamente adicionando uma quantidade de água ao líquido. Quando os cubos de gelo derretem, a água resultante mistura-se com o suco.
O ponto chave aqui é que a água, tanto no estado sólido (gelo) quanto no estado líquido, tem densidade menor do que a maioria dos sucos. Portanto, ao derreter, os cubos de gelo ocuparão mais volume no estado líquido do que no estado sólido, aumentando assim o volume total da mistura de suco e água proveniente do gelo derretido.