Explique a expansão da água no congelamento, através do arranjo de ligações moleculares.

Passo 1

O enunciado pede para entender por que a água se expande ao congelar, olhando para o arranjo das moléculas e das ligações de hidrogênio. O conteúdo envolve a geometria molecular de H2O, as interações de hidrogênio e como isso afeta a densidade do gelo em comparação com a água líquida.

Passo 2

Cada molécula de H2O tem um átomo de oxigênio central ligado a dois átomos de hidrogênio, formando um ângulo aproximado de ,104,5^circ. O oxigênio atrai mais elétrons, criando uma parte mais negativa em O e partes positivas nos H, ou seja, a molécula é polar.

Passo 3

Na fase líquida, as moléculas formam e desfazem ligações de hidrogênio de modo dinâmico, com distâncias intermoleculares médias relativamente curtas. Já ao congelar, cada molécula de H2O passa a formar até quatro ligações de hidrogênio estáveis — duas como doadora (pelos seus hidrogênios) e duas como aceitora (pelos pares de elétrons do oxigênio) — organizando-se em uma rede fixa de coordenação tetraédrica.

Passo 4

No gelo, essa rede tetraédrica adota um empacotamento hexagonal aberto em que o ângulo entre as ligações de hidrogênio é de cerca de ,109,5^circ. Esse arranjo cria enormes cavidades vazias na estrutura cristalina, aumentando a distância média entre moléculas.

Resposta

Como resultado dessa rede aberta de ligações de hidrogênio, o gelo ocupa mais volume e tem densidade menor que a água líquida, motivo pelo qual a água se expande ao congelar.

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