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Hielo

Cristales de hielo, estudiados por Wilson Bentley en 1902
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Cristales de hielo, estudiados por Wilson Bentley en 1902

El hielo es agua sólida cristalizada, congelada. Es uno de los tres estados naturales del agua. El agua pura se congela a 0°C a nivel del mar. El agua es la única sustancia que al congelarse aumenta de volumen. Los otros dos estados son el estado líquido y el estado gaseoso (a 100 °C, el vapor).

Estos dos valores son válidos únicamente a presión atmosférica (aproximadamente 1,013.105 Pa).

Tabla de contenidos

Estructura cristalina

A presión atmosférica, las moléculas de agua se estructuran de manera tetraédrica, en virtud del enlace de hidrógeno. Por esto, las moléculas de agua no se amontonan de manera compacta, sino que están espaciadas; por lo tanto, la densidad del hielo es menor que la del agua (alrededor de 0,9) ; el cristal de hielo tiene una estructura hexagonal compacta (a = 7,5 Å, c = 7,3 Å). Esta estructura se denomina "hielo 1h" o "hielo Ih".

Fuera de la Tierra, en otros planetas o en satélites en los que las condiciones de presión y de temperatura son diferentes, el hielo puede adoptar otras estructuras más compactas: hielo lc (baja temperatura, cúbica de facetas centradas, densidad aprox. 0,9), hielo II (baja temperatura, ortorrómbica centrado, densidad aprox. 1,2), hielo III ó Iii (baja temperatura, tetragonal, densidad aprox. 1,1), hielo V (alta presión, baja temperatura, monoclínica de base centrada, densidad aprox. 1,2), hielo VI (alta presión, baja temperatura, tetragonal, densidad aprox. 1,3), hielo VII (alta temperatura, alta presión, cúbico sencilla, densidad aprox. 1,7), hielo VIII (alta presión, tetragonal centrada, densidad aprox. 1,6), hielo IX (alta presión, tetragonal, densidad aprox. 1,2), hielo XII (alta presión, baja temperatura, tetragonal, densidad aprox. 1,3).

La forma cristalina que adopta el hielo en función de la presión y la temperatura se puede representar en un diagrama de fase.

diagramme de phase de la glace
Diagrama de fase del hielo — la escala de las presiones es logarítmica

Fusión eutéctica

Volvamos a las condiciones terrestres. En invierno, se sala el hielo para que se derrita. De hecho, lo que se derrite no es el hielo, sino un compuesto de hielo y sal llamado "eutéctico".

Cuando la sal NaCl (Na+, Cl-) entra en contacto con el hielo, los iones se arreglan alrededor de las moléculas de agua, que son polares (H2δ+, Oδ-) y viene a formar un compuesto (H2O).(NaCl) ; para este rearreglo hacen falta solamente unos pequeños movimientos de átomos, y se hace por lo tanto en fase sólida. Cuando se respetan las proporciones exactas (alrededor de unos 77 % de sal en masa), se tiene un producto que se comporta como producto puro (particularmente, hay una temperatura de fusión constante) y quese califica de "eutéctica". La temperatura de fusión de esta eutéctica es de alrededor de -21 °C.

Si la proporción de sal es inferior a esta relación, se da una mezcla agua-eutéctica, que se funde a una temperatura superior (entre -21 y 0 °C). Si la proporción de sal es superior, se tiene una mezcla sal-eutéctica que se también se funde a una temperatura superior. Se puede trazar un diagrama, llamado diagrama de fase, que representa la temperatura de fusión en función de las proporciones agua-sal.

diagrama de fase agua-sal a presión atmosphérique
Diagrama de fase agua-sal a presión atmosférica ; la eutéctica se forma en una proporción de agua de 0,2331 en masa (23,31 % de agua y 76,69 % de sal en masa)

El rearreglo agua+sal → eutéctica no puede darse sino en los puntos de contacto entre los cristales de hielo y de sal, o sea en la superficie del hielo. Se forma así una capa superficial de eutéctica que se funde (si la temperatura es superior a -21 °C) ; como la sal está en sobresaturación, se disuelve en la eutéctica fundida y puede reaccionar con el hielo que se encuentra sobre la película líquida. El fenómeno se propaga entonces hasta que falta agua o sal para formar una nueva eutéctica.

Así, en teoría, sería posible impedir la formación de hielo hasta los -21 °C. En los hechos, es imposible dosificar la cantidad de sal que debe colocarse.

Otras acepciones

Por extensión se usa el nombre hielo para otro tipo de compuestos químicos. Así, por ejemplo, se habla de hielo seco para referirse al estado sólido del anhídrido carbónico.

Véase también:









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