Por que o gelo flutua na água?

Sob o ponto de vista físico, qualquer substância que seja menos densa que a água irá flutuar sobre ela. Como a densidade da água é aproximadamente 1,0 g/mL (depende da temperatura), substâncias que tenham densidades maiores irão afundar e substâncias com densidades menores irão boiar. Neste caso, a resposta simples seria: o gelo flutua na água, pois é menos denso que ela.

            Na verdade, a pergunta mais adequada seria: por que o gelo é menos denso que água?

            Ocorre que na maioria das vezes, quando uma substância passa do estado líquido para o estado sólido, ocorre uma contração de volume fazendo com que a densidade aumente (para uma mesma massa, quanto maior o volume ocupado menor a densidade; d = m/V). Logo, um sólido em contato com o próprio líquido vai afundar. No entanto, no caso da água isto não acontece; quando a água congela (passa para o estado sólido), ocorre uma expansão de volume e a densidade diminui, fazendo com que o gelo boie. A densidade da água líquida a 0^oC é igual a 1,00 g/mL, enquanto que o gelo a 0^oC tem densidade 0,915 g/mL.

            O tipo de interação existente entre as moléculas de água é conhecido como ligações de hidrogênio. No estado gasoso, estas interações praticamente não existem (as moléculas estão separadas). No entanto, nos estados líquido e sólido, são estas interações que mantém as moléculas coesas; porém, no estado líquido, estas interações são constantemente quebradas e formadas permitindo a grande fluidez característica deste estado. Quando a água passa para o estado sólido, as interações de hidrogênio (média de quatro por molécula) passam a estar mais fixas e precisam de um espaço maior para o arranjo cristalino hexagonal que se forma (ao redor de cada átomo de oxigênio forma-se um arranjo tetraédrico – duas ligações de hidrogênio são estabelecidas entre os pares de elétrons de valência do oxigênio e átomos de hidrogênio de moléculas de água vizinhas; isto faz com que cavidades na forma de hexágonos se formem aumentando o volume ocupado por estas moléculas). Este aumento do volume devido ao maior espaçamento entre as moléculas aumenta o volume total da amostra. Para uma mesma massa de água, este aumento no volume provoca uma diminuição da densidade.

Obs – A forma dos cristais depende não só das características do material de que o cristal é formado, mas também das condições de formação; o gelo possui quinze estruturas cristalinas conhecidas, ou quinze fases sólidas, quem existem em várias temperaturas e pressões. Alguns tipos de gelo afundam na água em vez de flutuar, outros não formam cristais de seis lados, mas sim figuras como folhas de palmeira ou cabeças de couve-flor. Um gelo batizado de Ice X só derrete a uma temperatura de 2038^oC.

            Em bebidas alcoólicas, dependendo da graduação alcoólica, o gelo não flutua, pois a densidade da mistura passa a ser menor que a densidade do gelo.