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Gelo

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Para outros usos deste termo, veja-se Gelo (desambiguación).
Bloco natural de gelo de quatro toneladas em uma praia islandesa.

O gelo é água líquida congelada. É um dos três estados naturais da água.

A água pura congela-se à altitude do nível do mar a 0°C. A água, junto com o galio, bismuto, ácido acético, antimonio e o silício, é uma das poucas substâncias que ao se congelar aumentam de volume (isto é, que diminui sua densidade); a maioria das outras substâncias contraem-se ao congelar-se. Esta propriedade evita que os oceanos das regiões polares da Terra se congelem em todo seu volume, já que o gelo flutua na água e é o que fica exposto às mudanças de temperatura da atmosfera. A densidade típica do gelo a 0 °C costuma tomar-se como 916,8 kg/m3 ou como 0,9168 g/cm3.

Conteúdo

Aumento do volume e decrecimiento da densidade ao solidificarse

A água tem um comportamento diferente à maioria de líquidos: quando passa a estado sólido aumenta de volume. Isto é assim porque a densidade do gelo é menor que a da água. Como consequência deste fenómeno, o gelo flutua na água.

Se enche-se completamente de água um recipiente e fecha-lho herméticamente para depois congelá-lo, ao solidificarse a água gerará uma enorme pressão que se não é suportada pelo recipiente, este deformar-se-ia ou estallaría.

Quando a água líquida baixa de temperatura e chega a 0 °C, sua densidade é de 999,9 kg/m3 (permanecendo em estado líquido). Se retira-se do líquido um pouco mais de calor, passa ao estado sólido e sofre uma intempestiva diminuição de densidade (e um consiguiente aumento de volume), passando a ter uma densidade de 916,8 kg/m3 (à mesma temperatura, vale dizer 0 °C).

Uma consequência de todo isso é que a água se congela de acima para abaixo. Em lugares onde a temperatura é menor de 0 °C a água do mar e dos lagos se enfría. Quando começa a se congelar, a água em lugar de precipitar ao fundo fica na superfície e frota. Tudo isto permite que a água e os seres vivos do fundo fiquem resguardados das temperaturas exteriores muito baixas.

Estrutura cristalina

Cristais de gelo, estudados por Wilson Bentley em 1902 .

O gelo apresenta 12 estruturas ou fases cristalinas diferentes. Às pressões habituais no médio terrestre (no meio da pressão atmosférica), a fase estável costuma denotar-se como fase I segundo a terminología de Tamman. Dita fase I apresenta duas variantes relacionadas entre si: o gelo hexagonal, denotado Ih, e o gelo cúbico, Ic. O gelo hexagonal é a fase mais comum, e a melhor conhecida: sua estrutura hexagonal pode ver-se refletida nos cristais de gelo, que sempre têm uma base hexagonal. O gelo cúbico Ic obtém-se por deposición de vapor de água a temperaturas inferiores a -130 °C, pelo que não é tão comum; ainda assim, a uns -38 °C e 200MPa de pressão, situação esperable nos casquetes polares, ambas estruturas estão em equilíbrio termodinámico.

O gelo Ih apresenta uma estrutura hexagonal na que a cada átomo de oxigénio de uma molécula de água tem outros quatro átomos de oxigénio como seus vizinhos mais próximos, situados nos vértices de um tetraedro regular cujo centro é o átomo de oxigénio de interesse. Esta unidade tetraédrica é comum a todas as demais fases do gelo, e se deve ao facto de que o ângulo entre átomos de hidrógeno na molécula de água livre H-Ou-H é de 104,52º, em vez de 90º. O ângulo tetraédrico entre Ou-Ou-Ou é de 109,47º. Para temperaturas de interesse terrestre, a distância entre átomos de oxigénio Ou-Ou é de 0,276nm e entre Ou-H de 0,0985nm. A união entre átomos intramoleculares é de enlaces covalentes simples e por tanto muito estáveis, enquanto a união intermolecular produz-se por enlaces de ponte hidrógeno relativamente débis, o qual explica a relativamente baixa temperatura de fusão do gelo. Os parámetros de rede mais relevantes são o lado hexagonal a=0,451nm, e a altura do prisma hexagonal c=0,7357nm. Estes valores podem varia ligeiramente com a temperatura, mas a relação entre ambos, c/a=1,628, permanece praticamente estável e muito próximo ao valor óptimo de c/a=1,633, teorizado para esferas sólidas em contacto formando a mesma estrutura hexagonal. A estabilidade do parámetro c/a explica o facto de que a expansão térmica do gelo se produza de maneira isotrópica. Por sua vez, o facto de que o gelo Ih tenha uma estrutura hexagonal explica a anisotropía usualmente observada em suas propriedades mecânicas: o módulo de Young, por exemplo, que se situa no meio de E=9-10GPa para cristais puros, apresenta isotropía radial, e varia consideravelmente segundo a direcção da deformação; a resistência mecânica, situada no meio de 1MPa para cristais puros na direcção basal, pode atingir os 7MPa em certas configurações. A presença de impurezas na rede é praticamente nula, salvo para algumas substâncias pontuas como o fluoruro de amonio, NH4F. Os defeitos cristalinos podem ser quatro: vagas, intersticiales, iónicos ou de Bjerrum, os dois últimos sendo exclusivos do gelo e estando relacionados com a rotação de hidrógenos de uma molécula de água na rede.

Em todo o caso, a estrutura Ih do gelo é pouco compacta –o qual explica sua menor densidade com respeito à fase líquida– sobretudo se se compara com estruturas análogas em outros materiais cristalinos como os metais. O factor de empaquetamiento é de 0,34, muito inferior ao 0,74 típico dos metais. Isso se explica pela repulsión de átomos de hidrógeno e oxigénio conforme se compacta a rede. De facto, esta repulsión leva a que, quando a pressão sobre a rede hexagonal é o suficientemente elevada, esta estrutura deixe de ser estável e apareçam outras que a substituam.

Efectivamente, o resto de fases cristalinas produzem-se a pressões bem mais altas, e até 1900 eram desconhecidas. De facto, não existem na Terra, pois os casquetes polares terrestres são demasiado finos como para permitir o aparecimento de fases estáveis diferentes ao gelo Ih. No entanto, a situação é diferente nas grandes luas geladas do sistema solar como Europa ou Tritón, onde se postula que as pressões no núcleo são o suficientemente elevadas como para assegurar o aparecimento de fases estáveis diferentes à Ih, que a ditas pressões seria instável. As fases cristalinas de alta pressão melhor conhecidas são as fases II e III; em laboratório só se estudaram as fases II, III, V e VI,[1] enquanto o resto permanecem basicamente desconhecidas.

A estrutura do gelo II é romboidal. Este gelo forma-se a uns 238K para pressões de 283 atmosferas, e sua densidade é de 1193kg/m³ por ser uma estrutura bem mais compacta. O gelo III é tetragonal, e aparece a uns 246K e 276 atm, sendo sua densidade de 1166kg/m³. O gelo V é monoclínico, aparreciendo a 237,5K e 480 atm, com uma densidade de 1267kg/m³. O gelo VI é tetragonal, e aparece a 237,5K para 777atm, com uma densidade de 1360kg/m³. Todas estas fases são essencialmente frágeis, ainda que apresentam grande tendência à fluencia no tempo (creep) e verdadeiro comportamento viscoelástico.

Ainda que inicialmente achava-se que eram fases nanocristalinas, aparte das fases cristalinas acima mentadas, o gelo pode aparecer em duas fases amorfas (vítreas): o gelo amorfo de baixa densidade (940kg/m³ a -196 °C e 1atm) e o gelo amorfo de alta densidade (1170kg/m³, mesmas condições. A formação do gelo amorfo é complicada, e relaciona-se com o tempo de solidificación dado à água; pode formar-se por condensación de vapor por embaixo de -160 °C, por colapso da estrutura Ih baixo elevada pressão por embaixo de -196 °C,... Em todo o caso, salvo em certas situações muito concretas, não são fases comuns na Terra.

Tipos de gelo

No gelo, como na maioria dos sólidos, as moléculas se acomodam em uma formação ordenada. No entanto, dependendo das condições de pressão e temperatura, é possível que adoptem diferentes formas de se ordenar. A partir de 1900 , Gustave Tamman e posteriormente em 1912 Percy Bridgman fizeram experimentos sobre o gelo aplicando-lhe diferentes pressões e temperaturas, e obtiveram gelos diferentes com maiores densidades à normal (posteriormente encontraram-se muitos mais tipos de gelo). Todas estas formas de gelo têm estruturas mais compactas (diferentes formas de um elemento existentes no mesmo estado físico), ou seja que se formam várias modificações alotrópicas ou alótropos.

Em forma natural, na Terra (dadas suas condições de pressão e temperatura), somente pode existir um tipo de gelo (gelo I). No entanto, em outros planetas ou em satélites, nos que as condições de pressão e de temperatura são diferentes, o gelo pode apresentar em outras classes.

Os tipos de gelo conhecidos são os seguintes:

Fusão eutéctica

Nas condições terrestres e durante o inverno é frequente agregar sal ao gelo para que se funda. De facto, o que se funde não é o gelo, senão um composto de gelo e sal chamado "eutéctico". Quando o sal NaCl (Na+, Cl–) entra em contacto com o gelo, os iones se arranjam ao redor das moléculas de água, que são polares (H2δ+, Ouδ–) e vem a formar um composto (H2Ou).(NaCl) . Para este rearreglo fazem falta somente uns pequenos movimentos de átomos, e faz-se portanto em fase sólida. Quando se respeitam as proporções exactas (ao redor do 23 % de sal em massa), se tem um produto que se comporta como produto puro (particularmente, há uma temperatura de fusão constante) e que se qualifica de "eutéctica". A temperatura de fusão desta eutéctica é de ao redor de –21 °C. Se a proporção de sal é inferior a esta relação, dá-se uma mistura água-eutéctica, que se funde a uma temperatura superior (entre –21 °C e 0 °C). Se a proporção de sal é superior, tem-se uma mistura saia-eutéctica que também se funde a uma temperatura superior. Pode-se traçar um diagrama, chamado diagrama de fase, que representa a temperatura de fusão em função das proporciones água-saia.

diagrama de fase agua-sal a presión atmosphérique
Diagrama de fase água-saia a pressão atmosférica ; a eutéctica forma-se em uma proporção de água de 0,2331 em massa (23,31 % de sal e 76,69 % de água em massa)

O rearreglo água + saia → eutéctica não pode se dar senão nos pontos de contacto entre os cristais de gelo e de sal, ou seja na superfície do gelo. Forma-se assim uma capa superficial de eutéctica que se funde (se a temperatura é superior a –21 °C). Como o sal está em sobresaturación, se dissolve na eutéctica fundida e pode reagir com o gelo que se encontra sobre o filme líquido. O fenómeno propaga-se então até que falta água ou sal para formar uma nova eutéctica.

Assim, em teoria, seria possível impedir a formação de gelo até os –21 °C. Na prática, é impossível dosificar a quantidade de sal que deve se usar.

Descenso crioscópico

O descenso crioscópico é a redução do ponto de fusão de um disolvente puro pela presença de solutos. É directamente proporcional à molalidad, o que faz que seja mais importante para solutos iónicos, como os que predominan na água de mar, que para os não iónicos. O fenómeno tem importantes consequências no caso da água de mar, porque a resposta ao enfriamiento intenso da água do oceano, como ocorre no inverno das regiões polares, é a separação de uma fase sólida flutuante de água pura em forma de gelo. É bem como forma-se a banquisa em torno da Antártida ou ao oceano Ártico, como um agregado compacto de gelo puro de água, com salmuera enchendo os intersticios, e flutuando sobre uma massa de água líquida a menos de 0 °C (até um limite de –1,9 °C para uma salinidad de 3,5%).

A cor do gelo

Em certas ocasiões o gelo vê-se de cor azul. Por que o gelo é azul em contraste com a cor branca da neve?

Bloco de gelo azul no círculo polar antártico.

A luz branca do Sol está realmente formada por uma mistura de cores, desde o vermelho ao violeta, como se comprova quando se faz passar um raio de luz através de um prisma de vidro, ou no arcoiris. As ondas de luz mais azuladas têm mais energia que as amarelas ou as vermelhas. A neve é branca porque toda a luz que lhe chega é refletida em uma capa muito delgada que se encontra em sua superfície. As pequenas borbulhas de ar que estão atrapadas no gelo reflete a luz, múltiplas vezes e todas as cores, desde o vermelho ao violeta, escapam, de modo que a luz que recebemos é luz branca. O gelo aparece azul quando tem uma consistência muito alta e as borbulhas de ar não impedem o passo da luz através dele. Sem o efeito "dispersivo" das borbulhas, a luz pode penetrar no gelo sendo absorvida paulatinamente em seu caminho para as partes mais profundas. Os fotones vermelhos, que têm menor energia que os azuis, penetram menos distância e são absorvidos dantes. Em média, a absorción de luz vermelha no gelo é mais seis vezes eficiente que a absorción de luz azul; por tanto, quanta mais distancia viagem um faz de luz branca perde em seu caminho mais e mais fotones vermelhos, amarelos, verdes... e são os azuis os que "sobrevivem". Esta é a razão da cor azul do gelo puro, e de um glaciar ou de um iceberg.

Outras acepciones

Por extensão usa-se o nome gelo para outro tipo de compostos químicos. Assim, por exemplo, se fala de gelo seco para referir ao estado sólido do anidrido carbónico (dióxido de carbono ou CO2).

Acção erosiva

A expansão da água ao solidificarse tem efeitos geológicos importantes. A água que se introduz nas grietas diminutas das rochas da superfície terrestre cria uma enorme quantidade de pressão ao solidificarse, e parte ou rompe as rochas. Esta acção do gelo desempenha um papel importante na erosión. Ademais os glaciares mediante atrito pulen o terreno por onde circulam.

Formações de gelo sem água

As fases sólidas de algumas outras substâncias também recebem o nome de gelo, sobretudo no contexto astrofísico: o gelo seco é um termo comummente utilizado para o dióxido de carbono sólido.

Um monopolo magnético de gelo também se pode levar a cabo ao isolar os materiais magnéticos nos quais os momentos magnéticos imitam a posição dos protones na água de gelo e se regem por limitações energéticas similares às regras de Bernal-Fowler, derivados da frustración geométrica na configuração de um protón no gelo de água. A estes materiais denomina-se-lhes gelos de espín.

Veja-se também

Enlaces externos

  1. ↑ Erland M. Schulson, Creep and Fracture of Ice, Cambridge University Press, 2009. ISBN 978-0-521-80620-6
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