El hielo fluctúa en el agua porque su densidad es menor © Guillermo Avalos
El agua es el recurso natural más abundante en el planeta Tierra, con aproximadamente el 70% de su superficie ecubierta por ella, dando un volumen estimado de 1,4 mil millones de km3. Esta función también es de importancia fundamental para el mantenimiento de la vida en nuestro planeta y para el desarrollo de nuestra sociedad.
Las propiedades físicas y químicas del agua no equivalen a las propiedades de cualquier otro líquido y son ellas las que lo hacen tan indispensable. Entre estas características peculiares del agua está su densidad en estado líquido y sólido, es decir, en la forma de hielo.
La densidad (d) es una grandeza que mide la relación de la masa (m) de un cuerpo y el volumen (V) por él ocupado, siendo calculada por la fórmula:
Densidad=Masa/Volumen o D=M/V
Generalmente, cuando está en forma sólida, la sustancia se presenta más densa que la forma líquida. Sin embargo, es exactamente lo contrario de lo que sucede con el agua que es menos denso en la forma sólida. Cuando el agua está en estado líquido y a temperatura ambiente (cerca de 20 °C) su densidad es aproximadamente igual a 0,99 g/cm3. Ella alcanza su densidad máxima en aproximadamente 4 °C, que es de 1,000 g/cm3. Pero cuando pasa para el estado sólido, con temperaturas de 0 °C o menos, su densidad disminuye para cerca de 0,92 g/cm3.
Puesto que el hielo es menos denso que el agua, flota en la parte superior, como sucedería en el caso de los icebergs, inmensos bloques de hielo formados por agua pura, que flotan sobre los océanos de agua salada, que es todavía más densa por causa de las sales disueltas.
La densidad del hielo es menor que la del agua líquida porque, como es bien sabido, las moléculas de agua están formadas por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno, es decir, H2O. Puesto que el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, atrae más intensamente el par de electrones a sí mismo, creando una región con mayor carga eléctrica en la molécula. Con eso, la molécula de agua es polar, con una región parcialmente negativa y otra positiva.
Por lo tanto, la región negativa de una molécula atrae la región positiva de otra y viceversa, creando interacciones intermoleculares muy intensas, llamadas enlaces de hidrógeno.
Enlaces del hidrógeno entre las moléculas de agua
En estado líquido, las moléculas están lejos la una de la otra, pero a medida que van congelando, las moléculas se aproximan más y forman más enlaces de hidrógeno, adquiriendo una organización específica (hexagonal) con espacios vacíos. Esos espacios son los responsables por la expansión del agua.
Vinculación del hidrógeno del hielo formando una organización hexagonal con espacios vacíos
Como el volumen aumenta, pero la masa de agua sigue siendo la misma, disminuye la densidad del hielo:
↓d = m/ v↑
Importancia de la diferencia de densidad entre el agua y el hielo
Teniendo en cuenta esta diferencia de densidad, las aguas de los lagos y los mares no se congela totalmente, porque forma una capa de hielo menos densa que queda en la superficie y crea un aislante térmico natural que causa que el agua debajo de ella permanezca en la fase líquida. Eso salva la vida animal y vegetal de lagos y mares.
El hielo actúa como aislante térmico debido a que su calor específico (2,03 J/g . °C) es menor que el del agua (4.18 J/g. °C). Por eso los esquimales usan hielo en la construcción de iglús.
Después de que el frío pase y llegue la temporada de calor, el hielo se funde con facilidad. Pero esto no ocurriría si el hielo descendiera al fondo de lagos y mares. Con eso, podría verse comprometida la vida animal y vegetal.
Otro punto importante es que, como se ha dicho ya, el agua líquida alcanza su máxima densidad a 4 °C aproximadamente, que es de 1,000 g/cm3. Por lo tanto, durante las estaciones como la primavera y el otoño, el agua alcanza temperaturas cercanas a esto y se vuelve más denso que el resto por ir a la parte inferior. Esto provoca un movimiento vertical llamado de corriente de convección, que es responsable por mezclar los nutrientes disueltos en el agua.
