O gelo boia porque a mesma quantidade de água ocupa mais espaço depois de congelar. Ao formar o sólido, as moléculas se organizam em uma estrutura mais aberta; a densidade diminui e a água líquida, mais densa, fica abaixo.
Essa é uma exceção importante. Em muitas substâncias, o sólido fica mais compacto que o líquido.
Com a água, as ligações entre as moléculas favorecem um arranjo que deixa mais espaço entre elas quando o gelo se estabiliza.
Densidade compara massa e volume
Densidade é a relação entre massa e volume. Dois objetos com a mesma massa podem ocupar volumes diferentes; o que ocupa menos espaço tem densidade maior.
É esse dado, e não o fato de o gelo estar frio ou ser transparente, que define se ele tende a ficar acima ou abaixo de outro material. Para flutuar, um objeto desloca líquido até que o peso do volume deslocado equilibre o seu próprio peso.
O Serviço Geológico dos Estados Unidos informa que a densidade da água muda com a temperatura e que o gelo é menos denso que a água líquida. Um cubo em um copo torna essa diferença visível: parte dele fica fora da água porque o restante desloca volume suficiente para equilibrar seu peso.
As ligações de hidrogênio mudam o arranjo
Uma molécula de água tem um átomo de oxigênio ligado a dois de hidrogênio. Como as cargas elétricas ficam distribuídas de maneira desigual, moléculas próximas podem formar ligações de hidrogênio.
Essas atrações são mais fracas que as ligações internas da molécula, mas se tornam relevantes quando muitas agem juntas.
No líquido, essas ligações se formam e se desfazem continuamente. Ao congelar, as moléculas passam a sustentar uma rede mais ordenada.
Esse arranjo não encaixa as moléculas da forma mais apertada possível; ele mantém espaços que fazem o gelo ocupar mais volume.
A explicação é detalhada em material da Universidade Yale: a estrutura relativamente aberta do gelo favorece as ligações de hidrogênio e reduz a densidade em relação à água líquida. Quando o gelo derrete, parte dessa organização deixa de ser rígida e as moléculas podem ficar, em média, mais próximas.
A mudança não é igual em todas as temperaturas
Resfriar água não produz uma mudança simples e contínua de densidade. A água doce atinge sua maior densidade perto de 4 °C. Abaixo desse ponto, a formação de estruturas associadas às ligações de hidrogênio passa a aumentar o espaçamento médio, até a água congelar. A presença de substâncias dissolvidas modifica essa referência e impede que um único valor seja aplicado a qualquer tipo de água.
Isso também explica por que não basta dizer que água fria sempre sobe. A temperatura, a presença de sais e a profundidade influenciam a densidade. Em água salgada, por exemplo, os sais alteram o comportamento do líquido e o ponto de congelamento.
A diferença entre gelo e água líquida também aparece em recipientes fechados. Quando a água congela, o aumento de volume pode exercer pressão sobre o recipiente; por isso, um frasco cheio até a boca pode quebrar no congelador. O fenômeno depende de haver água suficiente e de o material não poder acomodar a expansão.
Isso não quer dizer que todo líquido faça o mesmo. A expansão da água na mudança para o gelo decorre da sua estrutura molecular particular, razão pela qual ela é tratada como uma exceção em aulas de química e física.
O que a camada de gelo muda em um lago
Como o gelo flutua, a superfície de um lago pode congelar primeiro enquanto a água mais densa permanece abaixo. A camada sólida não torna todo o lago quente, mas cria uma barreira entre o ar frio e a água líquida. O efeito ajuda a explicar por que corpos de água não costumam congelar de baixo para cima em condições comuns.
Se o gelo fosse mais denso que a água, ele afundaria e a dinâmica de congelamento de lagos seria muito diferente. No copo, o princípio aparece de forma simples; em um ambiente natural, ele influencia a distribuição de temperatura e a sobrevivência de organismos que permanecem na água líquida sob a superfície congelada.
Ao colocar gelo em uma bebida, portanto, o cubo não desafia a gravidade. Ele apenas encontra equilíbrio porque sua densidade é menor que a da água ao redor. Quando derrete, a água resultante passa a ocupar o volume que o cubo já deslocava enquanto flutuava.
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