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¿Por qué el hielo flota sobre el agua en lugar de hundirse como la mayoría de los sólidos? La respuesta a esta pregunta tiene dos partes: primero vamos a saber por qué algo flota, y después examinamos por qué el hielo flota sobre el agua líquida en lugar de hundirse hasta el fondo.
¿Por qué flota el hielo?
Una sustancia flota si es menos densa o tiene menos masa por unidad de volumen que los otros componentes de la mezcla. Por ejemplo, si se arroja un puñado de rocas en una cubeta de agua, las rocas, que son más densas en comparación con el agua, se hunden. El agua, que es menos densa que las rocas, flotará. Básicamente, las rocas empujan el agua fuera del recipiente o la desplazan. Para que un objeto pueda flotar, tiene que desplazar un peso de fluido igual a su propio peso.
El agua alcanza su densidad máxima a la temperatura de 4 °C (40 °F). A medida que se enfría más y se congela, convertiéndose en hielo, que en realidad es menos denso que el agua. Para la mayoría de las sustancias la densidad aumenta en su estado sólido (congelado), es decir, suelen ser más densas que en su estado líquido. El agua es diferente debido a los enlaces de hidrógeno.
Una molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno fuertemente unidos entre sí mediante enlaces covalentes. Las moléculas de agua también se atraen entre sí por enlaces químicos mucho más débiles que los covalentes, llamados enlaces de hidrógeno. Esa atracción se da entre los átomos de hidrógeno que poseen cargas positivas y los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas que poseen cargas negativas. A medida que el agua se enfría por debajo de los 4 ° C, los enlaces de hidrógeno se acomodan para mantener separados los átomos de oxígeno cargados negativamente. Todo ello produce una red de cristales comúnmente conocida como hielo.
El hielo flota porque es aproximadamente un 9% menos denso que el agua líquida. En otras palabras, el hielo ocupa aproximadamente un 9% más de espacio que el agua, por lo que un litro de hielo pesa menos que un litro de agua. El agua, más pesada, desplaza al hielo, más ligero, por lo que el hielo flota sobre la superficie del agua. Una consecuencia de esto se observa en los lagos y ríos, que se congelan desde arriba hacia abajo, lo que permite a los peces sobrevivir incluso cuando la superficie de un lago se ha congelado. Si el hielo se hundiera, el agua se desplazaría hacia la superficie y quedaría expuesta a temperaturas más frías, lo que haría que los ríos y lagosse congelaran en su totalidad.
El hielo de agua pesada se hunde en el agua líquida
Sin embargo, no toda el agua en forma de hielo o en estado sólido flota sobre la superficie del agua normal. El hielo hecho con agua pesada, es decir, la que contiene el isótopo de hidrógeno deuterio, se hunde en el agua normal. En este tipo de agua aún se producen enlaces de hidrógeno, pero no en número suficiente para compensar la diferencia de masa entre el agua normal y el agua pesada. Por lo tanto el hielo de agua pesada también se hunde en agua líquida.
