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Densidade da água e do gelo

Densidade da água e do gelo
Uma das propriedades inigualáveis da água é que, no estado sólido, ela é menos densa que no estado líquido

A água é o recurso natural mais abundante no planeta Terra, sendo que aproximadamente 70% de sua superfície é coberta por ela, dando um volume estimado de 1,4 bilhões de km3. Esse recurso é também de fundamental importância para a manutenção da vida no nosso planeta e para o desenvolvimento de nossa sociedade.

As propriedades físicas e químicas da água não se igualam às propriedades de nenhum outro líquido e são elas que a tornam tão indispensável. Entre essas características peculiares da água está a sua densidade no estado líquido e no estado sólido, isto é, na forma de gelo.

A densidade (d) é uma grandeza que mede a relação entre a massa (m) de um corpo e o volume (V) por ele ocupado, sendo calculada pela fórmula:

densidade = massa     ou  d = m
                     volume               V

Geralmente, quando está no estado sólido, a substância se apresenta mais densa que no estado líquido. No entanto, é exatamente o contrário o que acontece com a água. Quando líquida e em temperatura ambiente (cerca de 20ºC), a sua densidade é aproximadamente igual a 0,99 g/cm3. Ela atinge a sua densidade máxima em aproximadamente 4ºC, que é de 1,000 g/cm3. Mas quando passa para o estado sólido, com temperaturas de 0ºC ou menos, sua densidade diminui para cerca de 0,92 g/cm3.

Visto que o gelo é menos denso que a água, ele flutua sobre ela, conforme pode ser visto na imagem do copo abaixo e também no caso dos icebergs, imensos blocos de gelo formados por água pura, que flutuam sobre os oceanos de água salgada, que é ainda mais densa por causa dos sais dissolvidos.

O gelo flutua na água porque sua densidade é menor

A densidade do gelo é menor que a da água líquida porque, conforme é bem sabido, as moléculas de água são formadas por dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio, isto é, H2O. Visto que o oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio, ele atrai mais intensamente o par de elétrons para si, criando uma região com maior carga elétrica na molécula. Com isso, a molécula de água é polar, com uma região parcialmente negativa e outra positiva.

Assim, a região negativa de uma molécula atrai a região positiva de outra e vice-versa, criando interações intermoleculares bem intensas, denominadas ligações de hidrogênio.

Ligações de hidrogênio entre moléculas de água

No estado líquido, as moléculas estão mais afastadas umas das outras, mas à medida que vão congelando, as moléculas se aproximam mais e formam mais ligações de hidrogênio, adquirindo uma organização específica (hexagonal) com espaços vazios. Esses espaços são os responsáveis pela expansão da água.

Ligações de hidrogênio do gelo formando uma organização hexagonal com espaços vazios

Visto que o volume aumenta, mas a massa de água permanece a mesma, a densidade do gelo diminui:

↓d = m
         v↑

  • Importância da diferença de densidade entre a água e o gelo:

Em virtude dessa diferença de densidade, as águas dos lagos e mares não se congelam completamente, pois forma-se uma camada de gelo menos densa que fica na superfície e cria um isolante térmico natural que faz com que a água abaixo dela permaneça na fase líquida. Isso salva a vida animal e vegetal dos lagos e mares.

Camada de gelo sobre lago forma um isolante térmico que salva a vida dos animais abaixo dela

O gelo funciona como um isolante térmico porque o seu calor específico (2,03 J/g . ºC) é menor que o da água (4,18 J/g . ºC). É por isso que os esquimós usam o gelo na construção de iglus.

Iglu feito de gelo, um isolante térmico natural

Depois que o frio passa e vem a época de calor, o gelo da superfície se derrete facilmente. Mas isso não aconteceria se o gelo descesse para o fundo dos lagos e mares. Com isso, a vida animal e vegetal estaria comprometida.

Outro ponto importante é que, conforme já dito, a água líquida atinge a sua densidade máxima em aproximadamente 4ºC, que é de 1,000 g/cm3. Portanto, durante épocas como a primavera e o outono, a água atinge temperaturas próximas a essa e se torna mais densa que o restante, indo para o fundo. Isso causa um movimento vertical denominado de corrente de convecção, que é o responsável por misturar os nutrientes dissolvidos na água.

A vida dos animais em regiões polares é mantida graças à densidade do gelo em relação à da água