Hielo
El hielo es el nombre común del agua en estado sólido; otras denominaciones son nieve, escarcha, granizo, etc.[3] El agua es una de las pocas sustancias que al congelarse aumenta de volumen (por lo tanto, disminuye su densidad);[4] es decir, se expande.
El hielo se presenta en 12 estructuras o fases cristalinas diferentes.
A las presiones habituales en el medio terrestre (en el entorno de la presión atmosférica), la fase estable suele denotarse como fase I según la terminología de Tamman.
El hielo cúbico Ic se obtiene por deposición de vapor de agua a temperaturas inferiores a –130 °C, por lo que no es tan común; aun así, a unos –38 °C y 200 MPa de presión, situación esperable en los casquetes polares, ambas estructuras están en equilibrio termodinámico.
Estos valores pueden variar ligeramente con la temperatura, pero la relación entre ambos, c/a=1,628, permanece prácticamente estable y muy cercana al valor óptimo de c/a=1,633, teorizado para esferas sólidas en contacto formando la misma estructura hexagonal.
Por su parte, el hecho de que el hielo Ih tenga una estructura hexagonal explica la anisotropía usualmente observada en sus propiedades mecánicas: el módulo de Young, por ejemplo, que se sitúa en el entorno de E=9-10 GPa para cristales puros, presenta isotropía radial, y varía considerablemente según la dirección de la deformación; la resistencia mecánica, situada en el entorno de 1 MPa para cristales puros en la dirección basal, puede alcanzar los 7 MPa en ciertas configuraciones.
En todo caso, la estructura Ih del hielo es poco compacta —lo cual explica su menor densidad con respecto a la fase líquida— sobre todo si se compara con estructuras análogas en otros materiales cristalinos como los metales.
De hecho, esta repulsión lleva a que, cuando la presión sobre la red hexagonal es lo suficientemente elevada, esta estructura deje de ser estable y aparezcan otras que la sustituyan.
En efecto, el resto de fases cristalinas se producen a presiones mucho más altas, y hasta 1900 eran desconocidas.
De hecho, no existen en la Tierra, pues los casquetes polares terrestres son demasiado finos como para permitir la aparición de fases estables distintas al hielo Ih.
Sin embargo, la situación es distinta en las grandes lunas heladas del sistema solar como Europa o Tritón, donde se postula que las presiones en el núcleo son lo suficientemente elevadas como para asegurar la aparición de fases estables distintas a la Ih, que a dichas presiones sería inestable.
El hielo V es monoclínico, aparreciendo a 237,5 K y 480 atm, con una densidad de 1267 kg/m³.
El hielo VI es tetragonal, y aparece a 237,5 K para 777 atm, con una densidad de 1360 kg/m³.
Todas estas fases son esencialmente frágiles, aunque presentan gran tendencia a la fluencia en el tiempo (creep) y cierto comportamiento viscoelástico.
Aunque inicialmente se creía que eran fases nanocristalinas, aparte de las fases cristalinas arriba mencionadas, el hielo puede aparecer en dos fases amorfas (vítreas): el hielo amorfo de baja densidad (940 kg/m³ a –196 °C y 1 atm) y el hielo amorfo de alta densidad (1170 kg/m³, mismas condiciones).
En todo caso, salvo en ciertas situaciones muy concretas, no son fases comunes en la Tierra.
[6] Como en la mayoría de los sólidos, en el hielo las moléculas se acomodan en una formación ordenada.
A partir de 1900, Gustave Tamman y posteriormente en 1912 Percy Bridgman hicieron experimentos sobre el hielo aplicándole diferentes presiones y temperaturas, y obtuvieron hielos diferentes con mayores densidades que la normal (posteriormente se encontraron muchos más tipos de hielo).
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).
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 la práctica, es imposible dosificar la cantidad de sal que debe usarse.
Dicho de otra manera, el hielo más compacto, como el hielo glaciar, se comporta de una forma especial al recibir la luz.
Por extensión se usa el nombre hielo para otro tipo de compuestos químicos.
A estos materiales se les denomina hielos de espín.
[7] Esto se debe a que en todo momento el volumen de agua que potencialmente una masa de hielo puede generar al derretirse es igual al volumen de hielo que se encuentra sumergido en ese momento.
[8] Hemos visto que si una masa de hielo flotante se derrite no afectará al nivel del agua.
La Antártida, por ejemplo, es un continente cubierto completamente por hielo que descansa sobre tierra firme.
