¿Por qué el hielo flota en el agua?

Un sólido más liviano que su líquido

Casi todas las sustancias se contraen al solidificarse: sus moléculas, al perder energía, se acomodan más apretadas, y el sólido se hunde en su propio líquido. El agua hace lo contrario. A 0 °C y presión atmosférica, el hielo común tiene una densidad de 916,7 kg por metro cúbico,^[1] y el agua líquida a la misma temperatura, 999,8.^[2] El hielo pesa un 8 % menos por litro, y por el principio de Arquímedes, flota: se hunde hasta que el agua que aparta pesa lo mismo que él, y eso ocurre con el 92 % de su volumen bajo el agua.

Dicho al revés, al congelarse el agua aumenta su volumen en un 9 %. Por eso una botella llena olvidada en el congelador se rompe, y por eso el agua que se congela en las grietas de las rocas termina partiéndolas.

La culpa es de los puentes de hidrógeno

La razón está en la forma de la molécula. Cada molécula de agua tiene un oxígeno y dos hidrógenos, y el oxígeno atrae a los hidrógenos de las moléculas vecinas con un enlace débil, el puente de hidrógeno. En el hielo, cada oxígeno queda unido a sus dos hidrógenos propios y a dos ajenos: cuatro vecinos, dispuestos en las puntas de un tetraedro casi perfecto.^[3] Esa geometría arma una red de anillos hexagonales, como capas de panal apiladas.^[3]

Esa red es rígida y está llena de huecos. En el líquido, los puentes de hidrógeno se forman y se rompen todo el tiempo, y las moléculas pueden meterse en esos huecos: quedan, en promedio, más juntas. Al congelarse, el orden obliga a cada molécula a mantener su lugar en la red abierta, y el conjunto ocupa más espacio.

El agua más pesada está a 4 °C

La rareza no termina en el hielo. Al enfriarse, el agua líquida se contrae como cualquier líquido, pero solo hasta cerca de los 4 °C; por debajo empieza a expandirse otra vez, porque las moléculas ya empiezan a ordenarse como en el hielo.

Las diferencias entre 0 y 10 °C son pequeñas, pero deciden la vida de los lagos. En otoño, el agua de la superficie se enfría, se vuelve más densa y se hunde, y así se mezcla todo el lago hasta que el fondo llega a unos 4 °C. A partir de ahí, el agua de arriba que se sigue enfriando ya no se hunde: queda en la superficie, se congela, y el hielo flota y aísla. Por eso los lagos se congelan de arriba hacia abajo y los peces pasan el invierno en el agua de 4 °C del fondo. Si el hielo se hundiera, los lagos se llenarían de hielo desde el fondo.

Cómo lo sabemos

Las densidades de la tabla no son mediciones sueltas: son los valores de referencia internacionales. La Asociación Internacional para las Propiedades del Agua y el Vapor (IAPWS) reúne las mejores mediciones de laboratorio y las ajusta en ecuaciones de estado que las reproducen dentro de su incertidumbre. La del hielo común es de 2006, revisada en 2009, y da 916,72 kg/m³ en el punto de fusión.^[1] El NIST publica los valores del agua líquida calculados con la ecuación equivalente para el líquido.^[2]

La estructura del hielo se conoce desde hace más de 80 años, cuando Bernal y Fowler propusieron que las moléculas conservan su identidad al congelarse y se unen por puentes de hidrógeno en coordinación tetraédrica.^[3] Los experimentos de difracción, que revelan dónde están los átomos en un cristal, muestran a los oxígenos ordenados en capas de anillos hexagonales. Además del hielo común se conocen al menos otras 16 formas cristalinas de hielo, que aparecen en otras condiciones de presión y temperatura.^[3]

Lo que se suele decir mal

“El hielo flota porque tiene aire adentro.” El hielo de un cubito puede tener burbujas, que lo aligeran un poco, pero el hielo transparente y sin burbujas también flota: la diferencia está en la red de moléculas, no en el aire.^[1]

“El agua se congela a 0 °C y ahí es más densa.” El agua líquida más densa está a unos 4 °C, no a 0.^[2]

“Solo se ve la décima parte de un iceberg.” Es casi exacto: en el mar queda sumergido alrededor del 89 %, así que asoma algo más de una décima parte. En un lago de agua dulce se hunde un poco más, el 92 %.