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
, as interações de hidrogênio e como isso afeta a densidade do gelo em comparação com a água líquida.
Passo 2
Cada molécula de
tem um átomo de oxigênio central ligado a dois átomos de hidrogênio, formando um ângulo aproximado de
. O oxigênio atrai mais elétrons, criando uma parte mais negativa em
e partes positivas nos
, 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
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
. 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.