Explique detalhadamente porque o gelo flutua na água líquida.
Passo 1
O enunciado pergunta por que o gelo flutua na água líquida. O conteúdo envolve densidade de substâncias e estrutura molecular da água, em particular o papel das ligações de hidrogênio na fase sólida e líquida.
Passo 2
Para entender flutuação, usamos o princípio de Arquimedes: um corpo imerso em um líquido recebe uma força de empuxo igual ao peso do líquido deslocado. Se a densidade do corpo
for menor que a densidade do líquido
, o empuxo supera o peso e o corpo flutua. Definimos densidade como
onde
é a massa e
é o volume.
Passo 3
Cada molécula de água
é polar, o que leva à formação de ligações de hidrogênio entre um átomo de hidrogênio de uma molécula e o oxigênio de outra. Essas ligações têm orientação e distância características que influenciam como as moléculas se organizam nas fases líquida e sólida.
Passo 4
Na fase líquida, as ligações de hidrogênio são instáveis e constantemente se quebram e reformam, permitindo que as moléculas se aproximem e ocupem um volume relativamente menor. Na fase sólida (gelo), as ligações se ordenam em uma rede cristalina hexagonal estável e aberta, com espaços vazios na estrutura.
Passo 5
Devido à rede aberta do gelo, o volume ocupado por uma certa massa de água sólida é maior que o volume ocupado pela mesma massa de água líquida. Como a massa
é a mesma, a densidade do gelo fica menor:
com
, o que implica
Numericamente,
,g/c
e
,g/c
.
Resposta
O gelo flutua porque sua estrutura cristalina aberta faz com que sua densidade seja menor do que a da água líquida, e assim o empuxo do líquido sobre o gelo o mantém à tona.