A expansão de certas substâncias após o congelamento é um comportamento anômalo que ocorre devido a arranjos atômicos e características de ligação específicas. Ao contrário da maioria dos materiais que se contraem quando solidificam, o gálio, o silício e o bismuto exibem uma expansão de volume quando passam do estado líquido para o sólido. Aqui estão as razões por trás de sua expansão no congelamento:

Gálio:
O gálio sofre uma transição de fase única durante a solidificação. Ele se transforma de uma estrutura cúbica de face centrada (fcc) de alta temperatura em uma estrutura ortorrômbica de baixa temperatura. Esta mudança envolve um rearranjo dos átomos de uma forma que resulta num arranjo mais frouxamente compactado no estado sólido em comparação com o estado líquido. Este aumento no espaçamento atômico faz com que o gálio se expanda quando congela.

Silício:
O silício também sofre uma transição de fase após o congelamento, semelhante ao gálio. O silício líquido de alta temperatura tem uma estrutura cúbica de diamante, enquanto a forma sólida adota uma estrutura cúbica de face centrada (fcc). Esta mudança nos arranjos atômicos cria uma estrutura sólida menos densa em comparação com o líquido, levando à expansão durante o congelamento.

Bismuto:
A expansão do bismuto durante o congelamento é atribuída a um fenômeno chamado "cristalização com mudança no número de coordenação". No estado líquido, os átomos de bismuto estão dispostos de maneira mais compacta, com cada átomo formando três ligações covalentes com átomos vizinhos. Após o congelamento, o bismuto faz a transição para uma estrutura cristalina romboédrica onde cada átomo forma cinco ligações covalentes. Este aumento no número de coordenação requer mais espaço, resultando na expansão do bismuto à medida que congela.

Esses comportamentos anômalos de expansão do gálio, silício e bismuto têm implicações importantes em várias aplicações. Por exemplo, a expansão do gálio após o congelamento o torna útil como selante em aplicações de alta temperatura, como válvulas e bombas, onde é necessária uma vedação perfeita mesmo em altas temperaturas. Da mesma forma, a expansão do silício durante a solidificação é utilizada na indústria de semicondutores para criar modificações induzidas por tensão nas propriedades eletrônicas dos dispositivos de silício.

É importante notar que, embora o gálio, o silício e o bismuto sejam exemplos notáveis ​​de substâncias que se expandem com o congelamento, eles não são os únicos. Alguns outros elementos e compostos, como água e antimônio, também apresentam esse comportamento incomum. Compreender essas propriedades excepcionais é crucial em vários campos da ciência e da engenharia, incluindo ciência dos materiais, química e metalurgia.