¿Por qué el hielo flota si casi todo lo sólido se hunde en su líquido?

Un cubito cae en tu vaso, se hunde un instante y vuelve a subir. Allí se queda, con una pequeña parte fuera del agua, como un iceberg de sobremesa. La explicación cabe en una frase: el hielo flota porque la misma cantidad de agua ocupa más volumen al congelarse y, por tanto, tiene menos densidad.

Lo habitual es lo contrario: cuando una sustancia se solidifica, sus partículas quedan más juntas. El agua tiene otras costumbres. La culpa está en los enlaces que sus moléculas establecen entre sí, capaces de levantar una estructura con bastante espacio vacío.

Un edificio molecular con demasiados huecos

Cada molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Su reparto de carga eléctrica es desigual: la zona del oxígeno tiene una ligera carga negativa y la de los hidrógenos, positiva. Así, el hidrógeno de una molécula puede sentirse atraído por el oxígeno de otra.

Esa atracción es un puente de hidrógeno. No debe confundirse con los enlaces que mantienen unidos los átomos dentro de cada molécula: estos puentes conectan unas moléculas con otras. Son más débiles, pero, cuando trabajan en equipo, cambian las propiedades del agua.

En el líquido, esa red se reorganiza continuamente. Los puentes se rompen y se forman mientras las moléculas se mueven, lo que permite un empaquetamiento relativamente compacto. Al congelarse a presión atmosférica, el agua adopta normalmente una estructura cristalina mucho más ordenada y abierta.

En ella, cada molécula queda enlazada mediante puentes de hidrógeno con cuatro vecinas, en una disposición aproximadamente tetraédrica. La red resultante contiene anillos de seis moléculas: de ahí la estructura hexagonal del hielo corriente, emparentada con la simetría de los copos de nieve. No es un panal plano, sino un entramado tridimensional.

El resultado parece una mudanza mal aprovechada: las mismas moléculas necesitan más sitio. Al congelarse, el agua aumenta su volumen alrededor de un 9 %. Por eso una botella llena y cerrada puede romperse en el congelador: el contenido reclama espacio que el recipiente no tiene.

El secreto está en lo que pesa cada centímetro cúbico

Cerca de su punto de congelación, un centímetro cúbico de agua líquida tiene una masa de aproximadamente un gramo. Ese mismo volumen de hielo ronda los 0,92 gramos. A igualdad de tamaño, el hielo pesa menos.

Según el principio de Arquímedes, un cuerpo sumergido recibe un empuje hacia arriba igual al peso del líquido que desplaza. El cubito alcanza el equilibrio antes de quedar completamente sumergido: le basta con mantener aproximadamente nueve décimas partes de su volumen bajo el agua. La porción visible es solo el aperitivo.

Pero el agua guarda otra rareza relacionada: su densidad máxima se alcanza cerca de los 4 °C. Si se enfría desde una temperatura mayor, se contrae hasta ese punto. Si continúa enfriándose hacia los 0 °C, empieza a expandirse, incluso antes de congelarse.

Un techo helado para seguir viviendo

En un lago de agua dulce que se enfría en invierno, el agua superficial se vuelve más densa y desciende mientras se aproxima a los 4 °C. Pero, cuando la superficie baja de esa temperatura, el agua más fría resulta menos densa y tiende a permanecer arriba. Allí puede formarse el hielo.

Como flota, ese hielo crea una cubierta en vez de hundirse. Además, transmite el calor mucho peor que numerosos materiales, como los metales, y frena su pérdida desde el agua hacia el aire. Si encima cae nieve, el aislamiento aumenta.

En lagos suficientemente profundos, esto permite conservar agua líquida bajo la superficie congelada, donde peces y otros organismos pueden pasar el invierno. Los estanques poco profundos sí pueden helarse por completo. Pero, en muchos lagos, mientras arriba alguien ve una pista blanca, debajo un pez sigue nadando: tiene el invierno por techo.