Dentre as anomalias da água, um destaque é o fato de que no estado sólido (gelo) é menos denso do que o líquido, isto é: o líquido se
expande ao congelar.
Em comparação, outras substâncias, que neste aspecto tem um
comportamento parecido com o da maioria das substâncias: ao congelar,
seu volume diminui. Com a água, é o contrário: o volume, durante a
solidificação, aumenta em 9%.
Isso ocorre devido ao número e à magnitude da força
das ligações intermoleculares que as moléculas de água podem fazer. Na fase
sólida, cada molécula de água ocupa uma posição
relativamente definida, com baixíssima mobilidade, e faz 4 ligações
hidrogênio com suas vizinhas (2 como doadoras e 2 como aceptoras), num
arranjo tetraédrico. Cada ligação tem cerca de 200 pm de distância. Isto
confere uma baixa eficácia no empacotamento destas moléculas,
oferecendo uma estrutura bastante aberta. Já no estado líquido, como as moléculas possuem um alto coeficiente de difusão,
elas não fazem 4 ligações simultâneas. Justamente esta é uma das razões
do alto ponto de fusão e da alta entalpia de fusão da água, quando
comparada a outras moléculas de tamanho ou massa similar.
Como são
pequenas e possuem apenas 3 átomos, boa parte da energia cinética das
moléculas de água no líquido é exibida sob a forma de movimento
translacional. E, por isso, mesmo a temperatura ambiente, cada molécula
de água percorre, em média, cerca de 50 cm em 1 s. Para isso, a molécula de água troca de
parceiros o tempo todo - diz-se que faz ligações promíscuas com outras
moléculas. O resultado é que, justamente por fazer ligações mais
irregulares, desbalanceadas e de curta duração, o empacotamento das
moléculas é maior e a distância média das ligações hidrogênio cai para
menos de 180 pm.
O resultado, portanto, é uma variação negativa no volume de fusão: o sólido se contrai ao fundir!
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