Quanto é que o volume da água aumenta à medida que congela?

A água é uma das substâncias mais comuns e essenciais na Terra, mas é também uma das mais surpreendentes do ponto de vista científico. Ao contrário da maioria dos líquidos, que se contraem quando arrefecem, a água tem um comportamento peculiar: expande-se quando congela.

Este fenómeno é responsável por uma série de processos naturais e tecnológicos que afetam a nossa vida quotidiana, desde canos rebentados no inverno até à formação de icebergues que flutuam no oceano.

Quanto é que o volume da água aumenta quando congela?

Quando a água passa do estado líquido para o estado sólido, o seu volume aumenta aproximadamente 9-10%. Isto significa que se congelar um litro de água, o gelo resultante ocupará um espaço de cerca de 1,09 litros.

Embora este aumento possa parecer pequeno, tem consequências significativas, especialmente em situações em que a água está contida em espaços fechados, como tubagens, garrafas ou formações geológicas.

Este aumento de volume também explica porque é que o gelo flutua na água. Como o gelo é menos denso do que a água líquida (devido à sua expansão), as massas de água congeladas tendem a permanecer à superfície, um fenómeno fundamental para a sobrevivência de muitas formas de vida aquática em climas frios.

Porque é que a água se expande quando congela?

A razão pela qual a água se comporta desta forma invulgar deve-se à estrutura molecular única da água. As moléculas de água são constituídas por dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio (H₂O) e, quando no estado líquido, estas moléculas estão em constante movimento e agrupadas de forma irregular.

Esta estrutura hexagonal é mais “aberta” do que a disposição desordenada das moléculas no estado líquido, o que faz com que o gelo ocupe mais espaço do que a água. É este processo de formação de cristais que faz com que o volume da água se expanda à medida que congela.

Como é que este aumento do volume de água afeta a nossa vida quotidiana?

O aumento do volume de água à medida que congela tem implicações importantes na vida quotidiana, sendo um exemplo comum o rebentamento de canos em climas frios. Quando a água contida num tubo congela, a sua expansão gera uma pressão considerável contra as paredes do tubo, provocando frequentemente o seu rebentamento.

Outro exemplo são os danos que podem ocorrer num veículo quando a água no seu radiador congela. Sem um bom anticongelante, a água pode expandir-se e danificar componentes-chave do sistema de arrefecimento do motor.

Além disso, este fenómeno é fundamental na natureza. A expansão do gelo contribui para a formação de fissuras nas rochas, num processo conhecido como meteorização mecânica. Quando a água entra em pequenas fissuras de uma rocha e depois congela, a sua expansão provoca a fratura da rocha ao longo do tempo, contribuindo para a erosão e a formação de paisagens.

Os desafios deste fenómeno para a ciência e a engenharia

Na ciência e na tecnologia, a expansão da água quando congela coloca desafios e oportunidades. Na engenharia, por exemplo, é essencial ter em conta este fenómeno na conceção de infraestruturas em zonas frias.

Barragens, estradas e edifícios podem ser danificados se o efeito de congelamento e expansão da água não for considerado, o que pode levar a fissuras e ao colapso estrutural.

Por outro lado, os cientistas utilizam a expansão da água como uma ferramenta em domínios como a criogenia, onde se estuda o comportamento dos materiais a baixas temperaturas. O gelo também desempenha um papel fundamental na investigação das alterações climáticas, uma vez que o degelo dos glaciares e do gelo marinho tem um impacto direto no nível do mar e nos padrões climáticos globais.