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 \rho_{\text{corpo}} for menor que a densidade do líquido \rho_{\text{líquido}}í, o empuxo supera o peso e o corpo flutua. Definimos densidade como
\rho = \frac{m}{V}
onde m é a massa e V é o volume.

Passo 3

Cada molécula de água \mathrm{H_2O} 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 m é a mesma, a densidade do gelo fica menor:
\rho_{\text{gelo}} = \frac{m}{V_{\text{gelo}}} \quad\text{e}\quad \rho_{\text{água}} = \frac{m}{V_{\text{água}}},áá
com V_{\text{gelo}}>V_{\text{água}}á, o que implica
\rho_{\text{gelo}}<\rho_{\text{água}}.á
Numericamente, \rho_{\text{gelo}}\approx0,917,g/c m^{3} e \rho_{\text{água}}\approx1,00á,g/c m^{3}.

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.

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