¿Por qué el hielo flota? Densidad e importancia

¿Por qué el hielo flota en lugar de hundirse?

Casi todo el mundo ha visto cubitos de hielo flotando en la superficie de un vaso de agua, o ha oído hablar de icebergs flotantes lo suficientemente grandes como para hundir barcos. Todo el deporte del hockey sobre hielo tiene sus orígenes en el hielo de un lago flotante lo suficientemente grueso como para soportar a un equipo de jugadores que usan patines y empuñan palos. Todo esto plantea la pregunta: ¿por qué el hielo (agua congelada) flota sobre el agua líquida?

La respuesta breve a esta pregunta es que el hielo es menos denso que el agua y las sustancias menos densas siempre flotan encima de otras más densas. La densidad es la masa de una sustancia por unidad de volumen. Sin embargo, para dar una respuesta mejor y más larga, es necesario comprender qué es la densidad, cómo se calcula e incluso la estructura de los enlaces que mantienen unidas las moléculas de agua.

Densidad del hielo y el agua.

El agua es una de esas sustancias inusuales en el universo que en realidad es menos densa en su estado sólido que en su estado líquido. Eso sí, en su estado gaseoso, como vapor de agua, la sustancia tiene una densidad baja, similar a la del aire. Aunque cuando se trata de hielo y agua líquida, curiosamente, el hielo es menos denso. El agua líquida tiene una densidad de alrededor de 1 g/ml, el hielo tiene una densidad de alrededor de 0,91 g/ml y el vapor de agua tiene una densidad de alrededor de 0,02 g/ml. Esto es bastante diferente de la mayoría de los otros materiales, cuando el estado sólido es el más denso, el estado gaseoso es el menos denso y el estado líquido está en el medio.

La razón de esta propiedad única del agua tiene que ver con la forma de las moléculas de agua (H2O) y su disposición cuando forman un cristal sólido. Debido a los enlaces de hidrógeno en el agua que conectan el átomo de oxígeno central con los dos átomos de hidrógeno adyacentes, las moléculas de agua son asimétricas. Tienen una forma parecida a la de Mickey Mouse. Como tales, se pueden empaquetar estrechamente como un líquido, cuando cada molécula se gira al azar. Sin embargo, no pueden agruparse tan estrechamente cuando forman un cristal, y cada molécula debe alinearse en un patrón similar a una cuadrícula. Por tanto, el hielo sólido tiene un mayor volumen y ocupa más espacio que el agua líquida. Tenga en cuenta que es posible que el hielo no siempre flote en otros fluidos, como aire, alcohol, etc., si tiene una mayor densidad.

Enlaces de hidrógeno y estados cambiantes del agua

Las moléculas de agua alguna vez tuvieron átomos de oxígeno centrales que comparten electrones con dos átomos de hidrógeno conectados. Los tres átomos están unidos en una molécula, un grupo de átomos que están conectados y extremadamente difíciles de separar. Pero las moléculas de agua también se adhieren entre sí. Imagine una gota de agua adherida a la punta del dedo, desafiando la gravedad. La razón por la que las moléculas se unen es por algo llamado ” enlace de hidrógeno”.

Un enlace de hidrógeno es un enlace entre dos moléculas que resulta de la atracción magnética entre un átomo de hidrógeno cargado positivamente en una molécula y un átomo cargado negativamente (electronegativo) en otra. Debido a que las moléculas de agua tienen electrones adicionales que rodean el átomo de oxígeno en un extremo, ese extremo adquiere una ligera carga negativa. Y como una molécula de agua tiene dos protones solitarios (átomos de hidrógeno) en el otro extremo, ese extremo adquiere una ligera carga positiva. La molécula es asimétrica y, como tal, se vuelve ligeramente magnética. Júntelo con otra molécula de agua y los extremos positivo y negativo se pegarán. Esto explica la tendencia del agua a formar gotas.

Sin embargo, la temperatura también afecta al agua. Cuando hace calor, las moléculas se convierten en gas. Cuando se enfrían, se vuelven líquidos. Y cuando se enfrían aún más, forman hielo, como se explica a continuación.

• Agua como gas: cuando el agua está lo suficientemente caliente como para formar un gas, las moléculas se mueven y vibran tanto que las ligeras cargas magnéticas no pueden unirse. La mayoría de los enlaces de hidrógeno están rotos y las gotas de agua son lo suficientemente pequeñas como para escapar al aire.
• Agua como líquido: cuando el agua se enfría, las moléculas se mueven y vibran menos. Se mueven lo suficientemente lento como para que las moléculas magnéticas puedan unirse. Forman gotas de agua o, cuando hay suficientes, pueden formar grandes grupos: charcos, lagos e incluso océanos.
• Agua como sólido: cuando el agua se enfría aún más, las moléculas se apilan ordenadamente, y el extremo positivo de cada molécula se conecta con el extremo negativo de otra. Esta disposición organizada forma un cristal, que en realidad ocupa más espacio que cuando las moléculas se unen en patrones aleatorios. Esto es lo que hace que el hielo sea menos denso que el agua líquida.

¿Por qué es importante que el hielo flote?

Ahora que entendemos por qué el hielo sólido ocupa más espacio que el agua líquida y, por tanto, por qué el hielo baila menos, nos queda la pregunta de por qué es importante que el hielo flote. La flotación del hielo es increíblemente importante para muchos ecosistemas de la Tierra. Evita que la mayoría de los estanques y lagos se congelen, protegiendo a los seres vivos como los peces y sus huevos. Preserva el flujo de la mayoría de los ríos, lo que permite que el ciclo del agua continúe durante todo el año. También es parte de lo que permitió que se desarrollara la vida. Los primeros organismos vivos eran frágiles y unicelulares. Surgieron en océanos antiguos y el agua líquida era esencial para su vida y desarrollo. La flotación del hielo les permitió vivir, protegidos del duro frío del cielo y, finalmente, evolucionar hasta convertirse en organismos multicelulares como nosotros.

Resumen de la lección

El hielo flota porque es menos denso que el agua líquida. Pero tenga en cuenta que es posible que el hielo no siempre flote en otros fluidos, como el aire, el alcohol, etc. La densidad es la masa de una sustancia por unidad de volumen. Se calcula tomando la masa de un objeto y dividiéndola por el volumen del objeto. Las sustancias menos densas siempre flotan encima de las más densas.

La mayoría de las sustancias se vuelven menos danzantes a medida que se calientan y más densas a medida que se enfrían, pero el agua es una excepción. Debido a la forma de las moléculas de agua, se pueden empaquetar estrechamente como un líquido, donde cada molécula gira aleatoriamente y se adhiere a las otras moléculas de agua a su alrededor, gracias a sus enlaces de hidrógeno. Las moléculas de agua no pueden agruparse tan juntas cuando forman un cristal, y cada molécula debe estar alineada en un patrón similar a una cuadrícula. Por tanto, el hielo tiene un volumen mayor que el agua líquida. La flotación del hielo ha desempeñado un papel importante en el desarrollo de la vida en la Tierra, brindando protección y preservando el agua líquida esencial en lagos, ríos y muchos océanos del mundo.