Hielo

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Bloque natural de hielo de cuatro toneladas en un playa islandesa

El hielo es agua sólida cristalizada, congelada. Es uno de los tres estados naturales del agua. El agua pura se congela a 0 °C al nivel del mar. El agua, junto con el galio, bismuto, ácido acético, antimonio y el silicio son algunas de las pocas sustancias que al congelarse aumentan de volumen, la mayoría de las otras sustancias se contraen al congelarse. Los otros dos estados son el estado líquido y el estado gaseoso (a 100 °C y al nivel del mar, el vapor).

Estos dos valores son válidos únicamente a una atmósfera de presión (aproximadamente 1,013 x 10 ⁵ Pa).

[editar] Estructura cristalina

Cristales de hielo, estudiados por Wilson Bentley en 1902.

A presión atmosférica, las moléculas de agua se estructuran de manera tetraédrica, en virtud del enlace de hidrógeno. Por esto, las moléculas de agua se amontonan de manera compacta, 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 espaciada (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:

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

[editar] Fusión eutéctica

En las condiciones terrestres y durante el invierno es frecuente agregar sal al hielo para que se funda. De hecho, lo que se funde 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 (H₂^δ+, O^δ-) 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 del 77 % de sal en masa), se tiene un producto que se comporta como producto puro (particularmente, hay una temperatura de fusión constante) y que se 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 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 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 la práctica, es imposible dosificar la cantidad de sal que debe usarse.

[editar] El color del hielo

En ciertas ocasiones el hielo se ve de color azul. ¿Por qué el hielo es azul en contraste con el color blanco de la nieve?

Bloque hielo azul en el círculo polar antártico)

La luz blanca del Sol está realmente formada por una mezcla de colores, desde el rojo al violeta, como se comprueba cuando se hace pasar un rayo de luz a través de un prisma de vidrio, o en el arcoiris. Las ondas de luz más azuladas tienen más energía que las amarillas o las rojas. La nieve es blanca porque toda la luz que le llega es reflejada en una capa muy delgada que se encuentra en su superficie. Las pequeñas burbujas de aire que están atrapadas en el hielo reflejan la luz múltiples veces y todos los colores, desde el rojo al violeta, escapan, de modo que la luz que recibimos es luz blanca. El hielo aparece azul cuando tiene una consistencia muy alta y las burbujas de aire no impiden el paso de la luz a través de él. Sin el efecto "dispersivo" de las burbujas, la luz puede penetrar en el hielo siendo absorbida paulatinamente en su camino hacia las partes más profundas. Los fotones rojos, que tienen menor energía que los azules, penetran menos distancia y son absorbidos antes. En promedio, la absorción de luz roja en el hielo es seis veces más eficiente que la absorción de luz azul, por tanto cuanto más distancia viaje un haz de luz blanca, en su camino va perdiendo más y más fotones rojos, amarillos, verdes... y son los azules los que "sobreviven". Esta es la razón del color azul del hielo puro, y de un glaciar o de un iceberg.

[editar] 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.