¿Por qué se dilata el agua al congelarse?

¿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