¿Por qué se dilata el agua al congelarse?


Seguramente todos hemos visto que al llenar un molde con agua y al meterlo en el congelador, el hielo resultante ocupa más espacio que el que ocupaba el agua líquida. ¿Por qué ocurre esto?

Antes de responder a esta pregunta, es mejor dejar claro por qué los sólidos son sólidos y los líquidos son líquidos.

Entre las moléculas de una sustancia sólida hay una atracción que las mantiene firmemente unidas en una posición fija. Es difícil separarlas y, por tanto, la sustancia es sólida.

Sin embargo, las moléculas de los sólidos contienen energía de movimiento y vibran alrededor de esas posiciones fijas. Cuanto más se sube la temperatura, se va ganando cada vez más energía y vibrando con mayor violencia. Al llegar a cierto punto de temperatura (punto de fusión) adquieren tanta energía que la atracción de las demás moléculas no basta para retenerlas. De este modo, se rompen las ligaduras y empiezan a moverse por su cuenta, resbalando y deslizándose sobre sus compañeras. El sólido se ha convertido de esta forma en un líquido.

La mayoría de los sólidos son cristalinos. Esto quiere decir que las moléculas no sólo permanecen fijas en su sitio, sino que están ordenadas en formaciones específicas, como si fueran una escultura.

En un sólido cristalino las moléculas suelen ordenarse de forma compacta, es decir, las moléculas se apiñan unas contra otras, con muy poco espacio entre ellas. Pero al fundirse la sustancia y convertirse en líquido, las moléculas, al deslizarse unas sobre otras, se empujan y desplazan. Por tanto, las moléculas se separan entre ellas.

Dicho de una forma más clara: los sólidos se expanden al fundirse y los líquidos se contraen al congelarse. Pero... ¿no se supone que el agua aumenta de tamaño al congelarse? ¿lo que hemos dicho en este artículo es todo una contradicción? ¿esto no concuerda verdad?

Tranquilos, todo tiene su explicación, ya que un aspecto muy importante en este proceso es cómo estén situadas las moléculas en la forma sólida. En el hielo, las moléculas de agua están colocadas en una formación que deja muchos huecos entre ellas (para verlo de una forma sencilla, mirad la imagen que hay bajo estas líneas, en la que las moléculas se dejan mucho espacio entre ellas, algo fundamental para explicar este fenómeno) .

Al aumentar la temperatura, las moléculas de agua quedan sueltas y empiezan a moverse cada una por su lado, lo cual las separaría, si no fuese porque de esta manera muchas de ellas pasan a rellenar esos huecos que existían en el hielo. Y al rellenarlos, el agua líquida ocupa menos espacio que el hielo sólido.

Al fundirse 1 centímetro cúbico de hielo sólo se forman 0,9 centímetros cúbicos de agua. Ésa es la explicación, ya que las moléculas del agua en estado líquido rellenan los huecos del hielo.

Como dato curioso, para experimentar en casa: Todos sabéis que el hielo es menos denso que el agua (por eso flota), pero para ser más concretos, podemos decir que un centímetro cúbico de hielo se hunde en el agua hasta que quedan 0,9 centímetros cúbicos por debajo de la superficie. El hielo es sostenido entonces por el empuje del agua, quedando entonces 0,1 centímetros cúbicos por encima de la superficie. Resumiendo de forma clara, si metemos un cubito de hielo en un vaso de agua, siempre se van a sumergir en el agua 9/10 del hielo y se va a quedar en la superficie 1/10.

Fuente

Cien preguntas básicas sobre la ciencia - Isaac Asimov - ISBN 978-84-206-3982-6

7 comentarios:

Kleiser dijo...

Y por eso mismo los icebergs solo muestran un 12% de su volumen total en la superficie :D. Ademas es un hecho que es fundamental para el desarrollo de la vida, sobretodo en los mares que, si no fuera por esa peculiar caracteristica, estarian helados.

Creo que esto tenia una base termodinamica, pero la verdad es que no me acuerdo cual era :D

Dani dijo...

Otro efecto curioso es el efecto Mpemba.

¿Si metemos al congelador una cubitera con agua a 95º y otra con agua a 50º, cuál se congelará antes???.....

Pues no, se congela antes la primera.

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Mpemba

El Busto de Palas dijo...

Hola a todos, gracias por los comentarios. La verdad es que hoy ando un poco ocupado y no voy a poder publicar un nuevo artículo, ¡lo siento!

@Kleiser: Exacto, esta propiedad del agua tan simple es una de las más afortunadas para la vida. Como cualquier hielo que se forme va a flotar en la masa de agua, aísla las capas de agua más profundas del frío ambiental y evita que se escape más calor. En cuanto llega una época de más calor, el hielo superficial se funde y todos contentos ^^

En cambio, si el hielo fuera más denso que el agua, sería todo un desastre para la vida. Como el hielo se hundiría hacia el fondo, subirían a la superficie nuevas capas de agua que se congelarían también, volviendo a bajar inmediatamente. Cuando llegue la época calurosa, el Sol no tendría suficiente capacidad para fundir esas capas de hielo tan sumergidas y, con el tiempo, la mayoría de los océanos del plantea serían enormes masas de hielo sin capacidad para albergar vida.

@Dani: Curioso efecto sí, puede que alguno de estos días le dedique un artículo. La verdad es que algunos efectos parecen irracionales al principio, todo lo contrario a lo que intuimos o pensamos en un primer momento. A menudo, para entender algunos procesos físicos/químicos es necesario deshacerse de la intuición y dejarlo todo en manos de la razón ¡Gracias por la idea Dani, la semana que viene me pondré con él!

herni dijo...

La verdad es que es una artículo bastante simple, aunque curioso. Está bastante bien lo que dice dani, mola.

El Busto de Palas dijo...

Me alegro de que os guste este tipo de artículos herni, y respecto a lo que dice Dani, si puedo le dedicaré un artículo, como ya he dicho.

Anónimo dijo...

Hay algo que no entiendo.. ¿Qué propiedad tienen las moléculas de agua para que su estructura deje ese espacio?¿Se descubrió el por qué de este fenómeno?

Muchas gracias por orientar a un ignaro.

Cendrero (Adm. El Busto de Palas) dijo...

@Anónimo: Supongo que se deberá a la forma en la que están situados los átomos de hidrógeno y oxígeno en la molécula de agua: H-O-H formando un triángulo.

Tienes una muy buena explicación en el segundo párrafo de este apartado de la Wikipedia.

¡Saludos!

 

El Busto de Palas está bajo licencia Creative Commons | Template design by O Pregador | Powered by Blogger Templates