¿Por qué el agua aumenta de volumen cuando se congela?

El cubito de tu vaso está haciendo algo bastante raro: flotar sobre el líquido del que salió. La mayoría de las sustancias se vuelven más densas al solidificarse; el agua toma el camino contrario. Cuando se congela, sus moléculas forman una estructura más abierta, que ocupa más espacio. Por eso el hielo es menos denso y flota.

El cambio no es pequeño: al convertirse en hielo, el agua aumenta su volumen alrededor de un 9 %. Un litro de agua acaba ocupando aproximadamente 1,09 litros. Parece una diferencia discreta hasta que ese espacio extra tiene que salir de una tubería metálica.

Un edificio molecular con demasiado pasillo

Cada molécula de agua tiene un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Su forma es angular y la carga eléctrica está repartida de manera desigual: la zona del oxígeno resulta parcialmente negativa y la de los hidrógenos, parcialmente positiva. Esa diferencia hace que unas moléculas atraigan a otras.

La atracción entre el hidrógeno de una molécula y el oxígeno de otra da lugar al enlace de hidrógeno. Es mucho más débil que los enlaces que mantienen unidos los átomos dentro de cada molécula, pero tiene fuerza suficiente para condicionar cómo se organiza el conjunto.

En el agua líquida, las moléculas se mueven y esos enlaces se reorganizan continuamente. Eso permite que unas moléculas se acerquen a otras y ocupen parte de los espacios disponibles. El líquido se parece a una multitud que cambia de posición, sin asientos asignados.

En el hielo corriente, en cambio, cada molécula queda enlazada con cuatro vecinas en una disposición aproximadamente tetraédrica. Esa organización construye una red cristalina con huecos. No son burbujas de aire: son espacios de la propia arquitectura molecular.

El resultado recuerda a un edificio con demasiados pasillos: para alojar el mismo número de habitantes necesita más volumen. Al fundirse, parte de esa organización se deshace y las moléculas pueden quedar más juntas. El hielo desaparece y el nivel de ocupación molecular mejora.

Los 4 °C que cambian un lago

La rareza del agua empieza incluso antes de que aparezca el hielo. Al enfriarse desde temperaturas templadas, se contrae, como cabría esperar. Pero el agua dulce alcanza su máxima densidad cerca de los 4 °C. Si continúa enfriándose, comienza a expandirse.

En ese tramo frío, la organización favorecida por los enlaces de hidrógeno gana terreno. Aunque las moléculas se mueven menos, la tendencia a formar estructuras abiertas acaba imponiéndose. El agua que se acerca a los 0 °C resulta menos densa que la que está a 4 °C.

Esto cambia el funcionamiento de un lago en invierno. Al principio, el agua superficial que se enfría se vuelve más densa y desciende, ayudando a mezclar el lago. Pero, una vez que la superficie baja de unos 4 °C, el agua más fría tiende a quedarse arriba.

Así puede formarse hielo en la superficie mientras debajo permanece agua líquida. Además, la cubierta helada dificulta la pérdida de calor hacia el aire y frena la mezcla provocada por el viento. En los lagos suficientemente profundos, peces y otros organismos pueden pasar el invierno bajo ese techo.

Un cubito tiene salida; una tubería, no

En un vaso, el hielo puede ocupar más espacio sin montar un drama. En una tubería cerrada, la expansión encuentra paredes que no ceden fácilmente. Si además se forman tapones de hielo, puede quedar agua líquida atrapada entre ellos y un cierre.

Al seguir avanzando la congelación, aumenta la presión sobre esa agua atrapada. La tubería puede acabar rompiéndose, incluso en un tramo que todavía contiene líquido. No hace falta que todo el conducto se transforme en una barra de hielo para que llegue la factura.

La misma diferencia de densidad deja aproximadamente nueve décimas partes de un bloque de hielo sumergidas en agua dulce. La porción visible es solo el pequeño excedente que asoma. En tu vaso parece una curiosidad; en un lago, ese techo flotante separa el aire helado de un mundo que sigue nadando.