¿Por qué aumenta el volumen de agua después de la congelación?

Las moléculas de agua pueden rotar y vibrar y moverse una al lado de la otra de tal manera que ocupen un cierto volumen. Las moléculas de agua son HOH, no en línea recta, sino en un ángulo de aproximadamente 105 grados, ¡pero puede buscarlo en Internet!

Si agita un recipiente lleno de piezas de metal en ángulo, eventualmente todas se asentarán en una configuración anidada que es el volumen más pequeño que pueden ocupar. Cambie las piezas metálicas anguladas en moléculas, y así es como la mayoría de los líquidos se asientan en una forma cristalina a medida que se enfrían, y la forma sólida cristalina suele tener un volumen menor que la forma líquida, porque la forma líquida está dispuesta al azar y es caótica. mientras que la forma sólida se ordena en arreglos más geométricos.

Con las noleculas de agua, sucede algo mas. En lugar de asentarse cuando están congeladas, las moléculas en ángulo se sientan una encima de la otra en una disposición hexagonal que es menos compacta que el líquido desordenado original. Esto es inusual para un líquido que se congela en un sólido cristalino, y para ser honesto, no sé si algo más hace esto. Pero sí explica por qué el hielo es más liviano que el agua: su estructura es menos compacta y una masa dada tendrá un volumen mayor que la misma masa de agua líquida.

Cuando el agua líquida se enfría, se contrae como cabría esperar hasta alcanzar una temperatura de aproximadamente 4 grados centígrados. Después de eso, se expande ligeramente hasta que alcanza el punto de congelación, y luego, cuando se congela, se expande aproximadamente un 9%. Este comportamiento inusual tiene su origen en la estructura de la molécula de agua. Existe una fuerte tendencia a formar una red de enlaces de hidrógeno, donde cada átomo de hidrógeno está en una línea entre dos átomos de oxígeno. Esta tendencia de enlace de hidrógeno se fortalece a medida que la temperatura baja (porque hay menos energía térmica para sacudir los enlaces de hidrógeno fuera de posición). La estructura de hielo está completamente unida por hidrógeno, y estos enlaces obligan a la estructura cristalina a estar muy “abierta”

Cuidado aquí; Algunos de los lectores toman todo literalmente . A medida que el agua se congela, el volumen de agua líquida disminuye, mientras que el volumen de hielo de agua sólida aumenta. A medida que avanza la congelación, toda el agua líquida se transforma en hielo. El volumen del hielo de agua sólida producido es mayor que el volumen inicial de agua líquida.

El hielo tiene una estructura cristalina dentro de la cual cada molécula de agua está encerrada, de modo que ocupa más volumen que cuando era un líquido.

Como líquido, las moléculas de agua son libres de buscar la “densidad de empaque” máxima, similar a la forma en que un cubo de pelotas de golf hace un trabajo bastante bueno al colocar las bolas en una matriz escalonada, principalmente en disposición triangular. Cuando el agua se congela, forma una red cristalina de un orden superior que evita que las moléculas llenen los huecos. Imagínelo como una matriz cúbica en lugar de triangular. (Esto no quiere decir que los cristales sean necesariamente cúbicos, sino que su disposición proporciona un orden superior que no es tan denso). Con una densidad de empaquetamiento molecular más baja, el hielo tiene una densidad aparente más baja que el agua. Esto puede verse como “expansión” ya que el peso no ha cambiado.

Esto sucede porque cuando las moléculas observadoras se congelan se alinean en una estructura cristalina particular formando huecos de aire o estructuras en forma de jaula.

Debido a que los enlaces de hidrógeno se fortalecen cuando se convierten en hielo, también conocido como agua congelada, y es menos probable que se rompan cuando vuelve al líquido.