Por que a água, quando aquecida de 0ºC a 4ºC, contrai-se em vez de se dilatar?

À pressão atmosférica normal ao nível do mar, o gelo comum é formado (a 0ºC) por moléculas de água organizadas em estruturas hexagonais, como favos de mel. Essas estruturas são criadas devido a ligações fracas entre os pólos positivos (hidrogênios) e negativos (oxigênios) de quatro moléculas de água. O interessante é que essa estrutura de "favos" do gelo apresenta espaços vazios entre as moléculas que a formam, fazendo com que o volume ocupado aumente, em comparação com a água líquida. Um volume maior no mesmo espaço significa uma densidade menor: no gelo, a densidade chega a 0,92g/cm³, enquanto a densidade máxima da água é 1g/cm³.

Acima de 0ºC e até 4ºC, a vibração térmica produzida pelo aquecimento leva ao progressivo rompimento das ligações fracas e ao colapso da estrutura hexagonal. Com esse colapso, os espaços antes vazios são ocupados por moléculas de água, o que causa a contração do volume e o aumento da densidade. Acima de 4ºC, a agitação das moléculas cresce e elas se afastam mais umas das outras, levando de novo a uma pequena redução de densidade.

Alexandre Mello (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas)