Por que a água se expande quando se congela?

Poderíamos antes perguntar: O que faz com que um sólido seja sólido e um líquido, líquido?
Existe certa atração entre as moléculas de uma substância que as mantém firmemente unidas em certas posições fixas. É difícil separá-las e isso faz da substância um sólido.
No entanto, as moléculas contêm energia de movimento e elas oscilam em torno de suas posições fixas. As oscilações tornam-se mais violentas à medida que a temperatura se eleva e as moléculas adquirem mais energia. Finalmente, elas ganham suficiente energia para vencer a atração das outras moléculas e passam a mover-se por sua própria conta, deslizando umas sobre as outras. O sólido, então, derrete-se e torna-se um líquido.
A maioria dos sólidos são cristalinos, isto é, as moléculas não só permanecem fixas no lugar, como também ficam dispostas de maneira regular ao longo de fileiras e colunas. Esta regularidade é rompida quando as moléculas adquirem suficiente energia para se desprenderem; em conseqüência, o sólido derrete-se.
Geralmente, a disposição regular das moléculas em um sólido cristalino é de um tipo de ordem estrita. As moléculas formam um agregado deixando pouco espaço entre si. Assim que a substância derrete-se, porém, as moléculas, deslizando umas sobre as outras, empurram-se mutuamente. O efeito geral desses empurrões é que todas as moléculas são forçadas a se afastar um pouco mais umas das outras. A substância expande-se e a densidade diminui. Dessa maneira, os líquidos são, em geral, menos densos que os sólidos.
Expresso de outra maneira, os sólidos dilatam-se quando se derretem e os líquidos contraem-se quando se congelam.
Muito, porém, depende de como as moléculas estão dispostas na forma sólida. No gelo, por exemplo, as moléculas de água estão dispostas em uma formação extraordinariamente frouxa. As moléculas formam uma rede tridimensional que, na verdade, deixa "buracos".
À medida que a temperatura se eleva, as moléculas desprendem-se e passam a mover-se independentemente, empurrando-se da maneira usual. Isso afastá-las-ia, se elas não penetrassem nos buracos. Ao preencher os buracos, a água líquida ocupa menos espaço do que o gelo sólido, apesar da agitação molecular. Quando 1 metro cúbico de gelo derrete-se, apenas 0,9 metros cúbicos de água são formados.
O gelo, sendo menos denso que a água, nela flutua. Um metro cúbico de gelo afunda na água até que 0,9 metros cúbicos fiquem abaixo da superfície, deslocando 0,9 metros cúbicos de água líquida, que pesam tanto quanto 1 metro cúbico de gelo. O gelo fica, então, boiando e o 0,1 metro cúbico restante permanece acima do nível da água. Isso é o que acontece, em geral, com o gelo. Qualquer pedaço de gelo flutuará sobre a água com cerca de um décimo de seu volume acima da superfície e os nove décimos restantes, abaixo.
Isso é bastante benéfico para a vida em geral; pois quando o gelo é formado permanece acima da superfície da água, isolando as partes mais profundas e impedindo que o calor de lá escape. Em conseqüência, as águas mais profundas usualmente não se congelam, até mesmo no inverno mais rigoroso. Além disso, o gelo flutuante recebe o efeito total do Sol nas estações mais quentes e rapidamente se derrete.
Se o gelo fosse mais denso que a água, ele afundaria, ao se formar, até o fundo, e mais água ficaria exposta, a qual por sua vez seria congelada. Além do mais, o gelo no fundo da água não teria chance de absorver o calor solar e de derreter-se. Se o gelo fosse mais denso que a água nosso suprimento de água estaria quase que totalmente congelado, ainda que a Terra não estivesse mais distante do Sol do que está hoje.
Fonte: www.redepsi.com.br