Ciencia

El hielo que está caliente y no flota

Existen formas del hielo que tienen propiedades muy distintas a las del agua congelada que nos rodea.

Introducir cubitos de hielo en una bebida es una acción tan cotidiana que no nos solemos parar a pensar lo extraño que resulta que el hielo flote en el agua. Al fin y al cabo, si el agua se comportara como el resto de las sustancias cotidianas que nos rodean, los cubitos de hielo se hundirían como piedras hasta el fondo del vaso porque su densidad sería mayor que la del agua líquida... Pero la imagen de un trozo de hielo hundiéndose en un vaso de agua no deja de resultar extraña.

Ahora bien, ¿y si os digo que realmente existen ciertos tipos de hielo que son más densos que el agua? Es más: ¿me creeríais si os dijera que hay formas del hielo que estarían calientes al tacto, si pudiéramos tocarlas?

Las diferentes caras del hielo

Las propiedades del hielo cambian en función de la presión y la temperatura a la que está sometido, dos parámetros que determinan cómo están ordenadas sus moléculas de agua. Algunas combinaciones de presión y temperatura producen estructuras más compactas en las que los átomos están muy juntos y otras generan geometrías en las que los átomos están más separados. Estas variaciones en la distribución de las moléculas de agua se manifiestan en forma de muchos «tipos» de hielo distintos que serían similares a simple vista, pero que tienen atributos diferentes (como su densidad o su temperatura de fusión y congelación).

Las combinaciones de temperatura y presión que dan lugar a algunas de las 17 formas de hielo conocidas aparecen representadas en el siguiente diagrama de fase del agua:

Por ejemplo, el hielo que usamos para enfriar nuestras bebidas es el llamado «hielo Ih» y todos tenemos sus propiedades más o menos vistas. Flota en el agua porque su densidad (0,92 g/cm³) es inferior a la del agua líquida (1 g/cm³), se forma a presión atmosférica cuando la temperatura baja de los 0ºC y se empieza a fundir cuando incrementa por encima de este límite.

Ahora bien, imaginemos que metemos ese cubito de hielo en una cámara de presión y lo empezamos a comprimir mientras lo mantenemos a 0ºC. Si seguimos el diagrama de fases, vemos que el hielo conservará su forma mientras la presión incrementa hasta que alcance las 98 atmósferas (10 MPa). A partir de ese momento, el agua se fundirá y permanecerá en estado líquido mientras la presión sigue incrementando. Llegados a las 6200 atmósferas (632 MPa), el agua se volverá a congelar convertida en «hielo VI», una forma del hielo que se caracteriza porque sus moléculas están distribuidas siguiendo un patrón tetragonal más compacto que resulta en una densidad de 1,31 g/cm³. Por tanto, el «hielo VI» sí que se hundiría en nuestro vaso de agua... Si fuera estable en condiciones normales, claro.

Si la presión aumenta aún más, las moléculas de agua se volverán a reestructurar a las 19.700 atmósferas (2 GPa) y adoptarán una estructura aún más compacta llamada «hielo VIII» que tiene una densidad de 1,66 g/cm³. Una vez superadas las 49.300 atmósferas (5 GPa), el «hielo VIII» se convierte en «hielo VII». Esta versión del hielo tiene una densidad ligeramente inferior (1,65 g/cm³), pero posee otra característica muy curiosa: si dejásemos de incrementar la presión que actúa sobre él y lo calentáramos, no se empezaría a fundir hasta que superara los 225ºC.

Ahora bien, ¿estas versiones del hielo que se comportan de forma tan extraña se dan en la naturaleza o sólo existen en los laboratorios?

Dónde encontrar hielo exótico

Por suerte para nosotros, las condiciones de presión y temperatura que se necesitan para que estos tipos de hielo exótico se formen no se dan en la superficie terrestre. Aun así, la presencia de inclusiones de «hielo VII» dentro de algunos diamantes sugiere que esas condiciones tienen lugar bajo nuestros pies.

En este caso, se trata de diminutas gotas de agua que quedaron atrapadas en el interior de estos cristales mientras se formaban a decenas de kilómetros de profundidad, sometidos a presiones inmensas. Cuando los procesos geológicos condujeron esos diamantes hasta la superficie, su temperatura bajó y las gotas minúsculas de agua a presión que estaban encerradas en su interior se solidificaron, convirtiéndose en «hielo VII». Eso así, estas masas de hielo exótico son tan minúsculas que no se pueden observar a simple vista y su presencia se dedujo a partir de los patrones de difracción de la luz que produce (como este).

Entrando en un terreno un poco más especulativo, es posible que existan grandes cantidades de hielo exótico en el interior de otros mundos, como Gliese 436b, un planeta con un tamaño similar al de Neptuno que se encuentra tan cerca de su estrella que su atmósfera de hidrógeno supera los 400ºC. Estas altas temperaturas provocan que la atmósfera se expanda y el gas de sus capas altas escape constantemente al espacio, formando una cola similar a la de un cometa tras el planeta.

La existencia de esa gran nube de hidrógeno que envuelve el planeta podría indicar que existe un profundo océano global bajo su atmósfera. A medida que el agua se evapora, el vapor asciende hacia las capas altas debido a su menor densidad y la radiación ultravioleta de la estrella separa los átomos de oxígeno de sus moléculas de los de hidrógeno, facilitando el escape de estos últimos al espacio.

Pero, si esta hipótesis fuera correcta, lo más probable es que ese océano global de Gliese 486b no se encuentre en estado líquido, como los océanos terrestres, sino sólido. ¿El motivo? Aunque el agua de estos océanos estaría muy caliente, el intenso campo gravitatorio del planeta la estaría comprimiendo con suficiente fuerza como para convertirla en una de las formas exóticas del hielo que pueden soportar temperaturas muy altas sin fundirse.

La verdad es que utilizar uno de estos pedazos de hielo exótico denso para calentar una bebida, en lugar de enfriarla, sería toda una experiencia, pero, por suerte o por desgracia, no nos encontramos con estas formas del hielo en nuestro día a día porque sólo son estables en un rango de temperaturas y presiones muy específicos (que, además, no son demasiado benevolentes con la vida humana). Por tanto, parece que de momento nos tendremos que conformar con nuestro viejo conocido: el frío y ligero «hielo Ih».

QUE NO TE LA CUELEN:

  • Aunque a veces se suele utilizar Europa (el satélite de Júpiter) como un ejemplo de nuestro sistema solar en el que podría existir «hielo VII», un estudio de 1984 estimó que la presión en el fondo de los hipotéticos océanos que podría haber bajo su corteza congelada sería 10 veces inferior a la necesaria para producir este tipo de hielo exótico.

REFERENCIAS (MLA):