Imagina que estás tratando de encontrar un lugar para pararte en una pista de baile llena de gente. El piso está repleto y siempre te codeas con al menos otras cuatro personas.
De repente, aparece “Gangnam Style” y todos quieren hacer el mismo movimiento coreografiado que vieron en el video musical.
[Excepto tal vez esa chica al azar en el fondo]
Todos en la multitud pronto se dan cuenta de que el piso está demasiado apretado para que puedan estirar los brazos al frente. Es aún más difícil reorganizar a todos en una ordenación ordenada, ordenada y archivada. Algunas personas intentan hacerse sitio en el medio, y al hacerlo, empujan a los que están al borde.
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La molécula de agua es como una persona en esa pista de baile. En estado líquido, está perfectamente bien frotando los hombros con otras moléculas, pero por debajo de cierta temperatura quiere estirar los brazos y dejar espacio para sí mismo. En parte, esto se debe a que el agua es una molécula polar en forma de cuña que forma enlaces de hidrógeno intermoleculares.
Las moléculas de agua en agua líquida están bien agrupadas, porque sus movimientos aleatorios son demasiado grandes para que se formen enlaces de hidrógeno estables. Sin embargo, bajo la “fuerza motivadora” de una transición de líquido a sólido con temperatura decreciente, cada molécula tiende a reorientarse para unirse de manera ordenada, es decir, las moléculas forman un cristal.
Sin embargo, esta tendencia de ordenamiento es problemática, ya que cada una de esas moléculas abarrotadas se encuentra terriblemente desalineada con sus vecinos. Las moléculas de agua tampoco pueden simplemente apilarse entre sí, ya que son polares y no lineales (es como tratar de juntar imanes con polos similares uno frente al otro).
Resulta que la disposición estable, en la que todas las longitudes y ángulos de enlace H están optimizados en relación con otras moléculas, es una estructura de cristal en forma de jaula con espacio vacío y, por lo tanto, más volumen que el líquido desordenado.
Tenga en cuenta que a temperatura ambiente, el movimiento térmico aleatorio de las moléculas en un líquido es bastante sustancial. A medida que se reduce la temperatura, estos movimientos también se reducen en magnitud, y cada molécula ocupa menos volumen. En la mayoría de los líquidos, nada interesante sucede más allá, hasta la congelación. Las moléculas continúan encajando cada vez más cómodamente hasta que toda la masa se haya congelado.
Pero el agua es excepcional en este sentido. El volumen disminuye “normalmente” desde la temperatura ambiente hasta 4 grados C, como era de esperar, pero a medida que la temperatura desciende aún más, las moléculas tienden a formar enlaces de hidrógeno y alejan las moléculas vecinas que están demasiado cerca para su comodidad. Este empuje continúa hasta la congelación, cuando todas las moléculas están en su orientación más favorable.