¿Por qué el agua se expande cuando se congela?

Cuando el agua se congela, sus moléculas se ordenan en una estructura cristalina, logrando así una forma definida. Esta estructura cristalina es menos densa y, dado que hay espacios entre las moléculas individuales en la estructura, el volumen general aumenta y el agua se ‘expande’.

A simple vista, la frase “el agua se expande cuando se congela” puede no tener sentido, porque en forma líquida el agua no tiene una forma definida y, por lo tanto, parece ocupar más espacio. Además, cuando se congela, el agua adquiere una forma claramente definida, que parece todo lo contrario a la “expansión”.

Permítanme comenzar, por tanto, desglosando la pregunta planteada en el título del artículo.

¿El hielo tiene un mayor volumen en comparación con el agua? (Crédito de la foto: George Hodan / Public Domain Pictures)

¿El agua realmente se expande cuando se congela?

Sí, el agua se expande cuando se congela. Tenga en cuenta que la palabra “expande” en esta oración indica un aumento de volumen. Entonces, una forma técnicamente sólida de decirlo sería: el volumen del agua aumenta cuando se congela.

Esta afirmación es precisa y puede probar su legitimidad con un experimento simple: si baja la temperatura del agua, notará que el volumen del agua disminuye a medida que se vuelve más y más “intacta”.

Puede consultar el siguiente cuadro para visualizar gráficamente esta relación:

Tenga en cuenta que el volumen de agua comienza a aumentar a medida que la temperatura cae por debajo de los 4 grados Celsius.

Ahora, hablemos de por qué aumenta el volumen de agua o por qué se expande cuando se congela y alcanza una forma sólida.

¿Por qué aumenta el volumen de agua cuando se congela?

Este fenómeno tiene que ver con la constitución química del agua. Verá, una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. La disposición de estos átomos es bastante única, lo que le da al agua algunas propiedades especiales, como la alta capacidad calorífica del agua, la tensión superficial, la adhesión y la cohesión.

Estructura química de una molécula de agua.

Esta disposición de una molécula de agua crea un lado con carga positiva cerca de los átomos de hidrógeno y un lado con carga negativa cerca del átomo de oxígeno.

Cuando dos moléculas de agua se acercan, el lado positivo de una molécula se adhiere al lado negativo de la otra molécula. Cuando esto sucede a gran escala (es decir, con millones de moléculas de agua), lo que se obtiene es una estructura única, que explica algunas de las propiedades químicas del agua.

En forma líquida, las moléculas de agua pueden moverse libremente, formando y rompiendo enlaces de hidrógeno en el proceso, una propiedad que explica la forma irregular del agua (o cualquier líquido, para el caso). Algunas moléculas de agua a menudo se “apilan” unas encima de otras, lo que explica la mayor densidad del agua, en comparación con el hielo.

La disposición de las moléculas de agua en forma líquida.

Sin embargo, a medida que la temperatura desciende y el agua se enfría, las fuerzas intermoleculares aumentan, la libertad de movimiento de las moléculas de agua disminuye y se vuelven cada vez menos energéticas (con la temperatura decreciente).

Cuando el agua alcanza su punto de congelación, el movimiento de sus moléculas se vuelve insignificante ya que adquieren una forma más definida, dispuestas en celosías de seis lados.

A continuación se muestra una versión simplificada de la disposición de las moléculas de agua en su forma cristalina en el hielo:

La disposición de las moléculas de agua en forma sólida.

Esta disposición cristalina de moléculas de agua es menos densa, ya que evita que las moléculas se apiñen (como sucede en forma líquida) debido a fuerzas intermoleculares más fuertes.

Este espaciamiento de moléculas y mantenerlas fijas en esa posición aumenta el volumen de agua, por eso se dice que el agua se expande cuando se congela.

Por eso el hielo flota en el agua

El agua se expande cuando se convierte en hielo y, dado que el volumen es inversamente proporcional a la densidad de una sustancia, el hielo es menos denso que el agua. Por esta razón, el hielo, una sustancia que parece más pesada que su forma líquida, flota sobre el agua.

Si el agua no se expandiera cuando se congelara, entonces el hielo sería más denso que el agua. ¡Piense en el impacto en el ecosistema del planeta! El hielo en la superficie de los lagos, mares y océanos se hundiría y estos cuerpos de agua se llenarían gradualmente de abajo hacia arriba. Con lagos y océanos congelados, no habría vida acuática en la Tierra.

Desde esa perspectiva, ¡es muy bueno que el agua se expanda en su forma sólida!