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Hielo

Hielo
El «hielo» es agua congelada. Es uno de los tres estados naturales del
agua. La forma más fácil de reconocerlo es por su temperatura, y por
su color blanco níveo; además es muy frío al tacto. El agua pura se
congela a la altitud del nivel del mar a 0 °C.

Volumen y densidad del agua al solidificarse
El agua, junto con el galio, bismuto, ácido acético, antimonio y el
Bloquenatural de hielo de cuatro toneladas en
silicio, es una de las pocas sustancias que al congelarse aumentan de
una playa islandesa.
volumen (es decir, que disminuye su densidad); la mayoría de las otras
sustancias se contraen al congelarse. Esta propiedad evita que los
océanos de las regiones polares de la Tierra se congelen en todo su volumen, puesto que el hielo flota en el agua y es
lo quequeda expuesto a los cambios de temperatura de la atmósfera. La densidad típica del hielo a 0 °C suele
tomarse como 916,8 kg/m3 o como 0,9168 g/cm3.

Estructura cristalina
El hielo presenta 12 estructuras o fases cristalinas diferentes. A las
presiones habituales en el medio terrestre (en el entorno de la presión
atmosférica), la fase estable suele denotarse como fase I según laterminología de Tamman. Dicha fase I presenta dos variantes
relacionadas entre sí: el hielo hexagonal, denotado Ih, y el hielo
cúbico, Ic. El hielo hexagonal es la fase más común, y la mejor
conocida: su estructura hexagonal puede verse reflejada en los cristales
de hielo, que siempre tienen una base hexagonal. El hielo cúbico Ic se
obtiene por deposición de vapor de agua a temperaturas inferiores a-130 °C, por lo que no es tan común; aun así, a unos -38 °C y 200MPa
de presión, situación esperable en los casquetes polares, ambas
estructuras están en equilibrio termodinámico.
El hielo Ih presenta una estructura hexagonal en la que cada átomo de
oxígeno de una molécula de agua tiene otros cuatro átomos de oxígeno
Cristales de hielo, estudiados por Wilson Bentley
como sus vecinos máspróximos, situados en los vértices de un
en 1902.
tetraedro regular cuyo centro es el átomo de oxígeno de interés. Esta
unidad tetraédrica es común a todas las demás fases del hielo, y se
debe al hecho de que el ángulo entre átomos de hidrógeno en la molécula de agua libre H-O-H es de 104,52º, en vez
de 90º. El ángulo tetraédrico entre O-O-O es de 109,47º. Para temperaturas de interés terrestre, ladistancia entre
átomos de oxígeno O-O es de 0,276nm y entre O-H de 0,0985nm. La unión entre átomos intramoleculares es de
enlaces covalentes simples y por tanto muy estables, mientras que la unión intermolecular se produce por enlaces de
puente hidrógeno relativamente débiles, lo cual explica la relativamente baja temperatura de fusión del hielo. Los
parámetros de red más relevantes son ellado hexagonal a=0,451nm, y la altura del prisma hexagonal c=0,7357nm.
Estos valores pueden varia ligeramente con la temperatura, pero la relación entre ambos, c/a=1,628, permanece
prácticamente estable y muy cercano al valor óptimo de c/a=1,633, teorizado para esferas sólidas en contacto
formando la misma estructura hexagonal. La estabilidad del parámetro c/a explica el hecho de que la expansióntérmica del hielo se produzca de manera isotrópica. Por su parte, el hecho de que el hielo Ih tenga una estructura

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Hielo

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hexagonal explica la anisotropía usualmente observada en sus propiedades mecánicas: el módulo de Young, por
ejemplo, que se sitúa en el entorno de E=9-10GPa para cristales puros, presenta isotropía radial, y varía
considerablemente según la dirección de ladeformación; la resistencia mecánica, situada en el entorno de 1MPa para
cristales puros en la dirección basal, puede alcanzar los 7MPa en ciertas configuraciones. La presencia de impurezas
en la red es prácticamente nula, salvo para algunas sustancias puntuales como el fluoruro de amonio, NH4F. Los
defectos cristalinos pueden ser cuatro: vacantes, intersticiales, iónicos o de Bjerrum, los...