Antes de iniciar a dada pergunta, deve-se reconhecer o significado de anomalia: pelo dicionário, anomalia é aquilo/ aquele que desvia das normas, caracterizando-se como fora do comum.
Neste contexto, a anomalia da água foi uma surpresa para a comunidade científica quando descoberta, isso pelo simples fato de que os líquidos são alvo da dilatação de forma uniforme, semelhante aos sólidos. Assim, por que existe água líquida abaixo de camadas de gelo em um lago?
Após muitas pesquisas e estudos, encontrou-se que o causador deste fenômeno é o que se conhece por dilatação anômala da água: entre 0°C e 4°C ocorre uma inversão do papel comum da dilatação, significando que, neste intervalo de temperatura, a água contrai-se ao invés de aumentar seu volume. Ou seja, há uma redução, e não dilatação como normalmente acontece.
Como se sabe, a densidade é inversamente proporcional ao volume. Uma informação como essa, tão essencial para os primeiros passos na Química, é decisiva para explicar fenômenos complicados como a camada de gelo sobre a água líquida em um lago, por exemplo. Pois então, o volume da água vai baixando até que alcance 4°C, sendo, neste mesmo ponto, sua densidade máxima (volume mínimo= densidade máxima). Desta forma, a superfície do rio (exposta à suposta temperatura de 0°C) congelará primeiro. Já as camadas profundas, que em um primeiro momento medem pouco mais de 0°C, terão maior densidade, afundando sob a camada menos densa através da força de empuxo. Seguindo esta mesma lógica, percebe-se aplicações cotidianas, como o gelo flutuando em um copo de água ou a justificativa de vida aquática em localizações congelantes, como o Polo Norte.
Ainda assim, a Ciência é ambiciosa: precisa de fatos, justificativas, comprovações e adequações. Não basta apenas descrever o evento- dilatação anômala da água- esse é o fundamental, imprescindível. O porquê disso acontecer é o que é de fato investigado. A causa deste evento físico está encontrada na Química. Ora, o mundo é um só, as áreas estão, de uma forma ou outra, interligadas. A fundo, percebe-se que as responsáveis pelo evento são as pontes de hidrogênio.
Para aqueles que não sabem do que se trata as pontes de hidrogênio, estas são um exemplo de interação intermolecular, as mais fortes especificamente.* Sua força é justificável pelo encontro entre um elemento pouco eletronegativo (H) com os três mais eletronegativos encontrados na natureza: Flúor, Oxigênio e Nitrogênio. (Estão na frente da lista de 10: Flúor, Oxigênio, Nitrogênio, Cloro, Bromo, Iodo, Enxofre, Carbono, Fósforo e Hidrogênio). Com isso, ocorre uma alta polaridade, ou seja, há um forte polo positivo (Hidrogênio que “perdem” elétrons) e um forte polo negativo (Flúor, Oxigênio e Nitrogênio, que atraem os elétrons).
As moléculas de água interagem a partir das ligações de hidrogênio, isso porque existem nelas Hidrogênios ligados a Oxigênio. Nesta interação o Hidrogênio da primeira é atraído pelo Oxigênio da segunda molécula, cujo Hidrogênio é puxado pelo Oxigênio de uma terceira, e assim por diante. Atente-se: não são ligações, são pseudoligações (“ligações falsas”) que não rompem as ligações já existentes, apenas aproximam as moléculas.
Assim, pode-se dizer que não compensa avaliarmos as moléculas individuais quando a análise profunda depende das interações uma com a outra. Sabe-se que as ligações de hidrogênio nas moléculas de água favorecem a formação de tetrâmeros (aglomerados de quatro moléculas). Os quartetos tendem a se revezar entre duas configurações: uma mais fechada, de menor energia, na qual as moléculas encontram-se mais distantes umas das outras; e a segunda configuração o oposto: mais aberta com maior proximidade entre as moléculas. A passagem de uma configuração para outra altera a densidade da água. Ou seja, quando as moléculas estão próximas, o líquido é mais denso, e quando afastadas, menos denso. Essas formações justificam as tensões superficiais dadas pelas ligações de hidrogênio. Por isso, por exemplo, que um inseto consegue pousar sobre a água (força peso dele é menor que a força das tensões superficiais), ou o contato da pele na piscina em um salto causa um impacto tão grande (“rompe” a camada superficial), ou até justifica o formato esférico da gota de água: as ligações são tão fortes que as moléculas se contraem.
Até agora exemplificou-se a força das ligações de hidrogênio. A anomalia da água se dá pela necessidade de romper tais interações para que a água passe a ter um comportamento considerado normal.
A energia necessária para romper as ligações de hidrogênio é enorme devido a grande força de atração que delas se provém. Tal fonte de energia virá na dada variação de temperatura (0°C até 4°C), de forma a insistir cada vez mais no rompimento, aproximando as moléculas e, consequentemente, contraindo e diminuindo seu volume. A contração vem da tendência natural de preenchimento de espaço, então quando as ligações se rompem, as moléculas preenchem o espaço vazio. Quando a temperatura aponta ou passa dos 4ºC, o número de ligações de hidrogênio é baixo, transitando para a prevalência do afastamento molecular. Assim, uma vez que as ligações forem quebradas, a água agirá normalmente: a partir da temperatura acima de 4°C as moléculas se agitarão e a distância entre elas aumenta, dilatando o sistema.
Como calcular a dilatação anômala da água?
No cálculo, o coeficiente de dilatação volumétrica da água varia. Em alguns casos o coeficiente pode ser negativo, representando a diminuição do volume no intervalo de 0°C a 4°C. Quando fora desta variação, o coeficiente de dilatação volta a ser positivo.
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