Melhor resposta
O ponto de congelamento de um líquido é a temperatura na qual o líquido se converte em uma forma sólida, e o ponto de fusão é a temperatura na qual o sólido volta a ser líquido. Como eles podem NÃO ser os mesmos?
Nessa temperatura exata, você atingiu o equilíbrio, onde o mesmo número de moléculas são convertidas para a forma sólida e para a forma líquida. O que muda a reação física de um jeito ou de outro é a mudança na entalpia. Se mais calor estiver sendo removido do sistema, ocorrerá congelamento, e se mais calor for adicionado ao sistema, mais derretimento ocorrerá. É importante que você leve em consideração o calor latente de fusão, que é a quantidade de energia (calor) necessária para mudar de uma fase para outra.
A água pode existir a 0 graus C, assim como o gelo. Normalmente, leva apenas 1 caloria de energia para alterar a temperatura de 1 grama de água em um grau Celsius. Não é assim no ponto de congelamento / derretimento. São necessárias incríveis 79,7 calorias por grama para transformar água líquida em gelo ou vice-versa.
Resposta
Bem, você está certo sobre o fato de que a maioria dos objetos encolhe quando congelam.
A razão pela qual a água se expande quando congela é a forma muito peculiar de uma molécula de água e também suas propriedades.
Como você deve saber, a água é H2O, e se você não fizer isso não sei o que parece, eles são assim
Agora eu escolhi essa imagem por um motivo muito peculiar. Como você pode ver, a água é uma molécula polar, o que significa que sua carga elétrica não está uniformemente distribuída em toda a sua estrutura. Neste caso, devido à maior eletronegatividade do oxigênio (basicamente, o oxigênio tende a atrair elétrons para ele, então atrai elétrons do hidrogênio para ele, e como a forma de uma molécula de água não é simétrica em todos os três eixos, um lado irá ter carga mais negativa do que a outra, e os hidrogênios terão carga ligeiramente positiva)
Então, como isso se relaciona com o motivo de a água se expandir quando congela?
Bem, como você vê, quando na forma líquida, as moléculas de água podem deslizar umas em torno das outras de maneira caótica (tente fazer uma forma de au com o dedo indicador e o polegar de sua mão esquerda e direita, e fazê-los deslizar e girar livremente em torno um do outro, isso explica parte)
No entanto, quando a água congela, isso acontece
Como você pode ver, devido a a carga da molécula de água, ela se organiza de uma maneira muito particular, de modo que o oxigênio mais negativo tende a se organizar na direção do hidroge mais próximo molécula n. De repente, você tem todas essas lacunas enormes entre as moléculas de água que aumentam consideravelmente o volume geral da estrutura. A razão pela qual esse tipo de alinhamento não acontece na forma líquida da água é porque essas ligações intermoleculares são fracas o suficiente para que possam ser superadas em nossas temperaturas normais.
Então, para resumir tudo, a razão porque a água se expande quando está congelada é por causa de sua geometria molecular e polaridade de carga.