¿Porqué se dilata el agua al congelarse?

Primero cabría formular la pregunta: ¿Porqué son sólidos los sólidos y porqué son líquidos los líquidos?

Entre las moléculas de una sustancia sólida hay una cierta atracción que las mantiene firmemente unidas en posición fija; como es difícil separarlas, la sustancia es sólida. Sin embargo, las moléculas contienen energía de movimiento y vibran alrededor de esas posiciones fijas. Al subir la temperatura, van ganando cada vez más energía y vibran con mayor violencia. En último término, adquieren tanta energía que la atracción de las demás moléculas no basta ya para retenerlas. Rompen entonces las ligaduras y empiezan a moverse por su cuenta, resbalando y deslizándose sobre sus compañeras. El sólido se ha licuado; se ha convertido en un líquido.

La mayoría de los sólidos son cristalinos. Es decir, las moléculas no sólo permanecen fijas en su sitio, sino que están ordenadas en formaciones regulares, en filas y columnas. Esta regularidad se rompe cuando las moléculas adquieren suficiente energía para salirse de la formación y, entonces, el sólido se funde.

La disposición regular de las moléculas en un sólido cristalino suele darse en una especie de orden compacto. Éstas se aprietan unas contra otras, con muy poco espacio entre sí, pero, al fundirse la sustancia y al deslizarse unas sobre otras, se empujan y desplazan. El efecto general de estos empujones es que las moléculas se separan un poco más. La sustancia se expande y su densidad aumenta. Así pues, en general, los líquidos son menos densos que los sólidos. O, digámoslo así: los sólidos se expanden al fundirse y los líquidos se contraenal congelarse.

Sin embargo, mucho depende de cómo estén situadas las moléculas en la forma sólida. En el hielo, por ejemplo, las moléculas de agua están dispuestas en una formación especialmente laxa, en una formación tridimensional que en realidad deja muchos «huecos». Al aumentar la temperatura, quedan sueltas y empiezan a moverse cada una por su lado, con los empujones y empellones de rigor, lo que las separaría, si no fuese porque de esta manera muchas de ellas pasan a rellenar esos huecos; al rellenarlos, el agua líquida ocupa menos espacio que el hielo sólido, a pesar de los empujones moleculares. Al fundirse 1 cm3 de hielo sólo se forman 0.9 cm3 de agua.

Como el hielo es menos denso que el agua, flota sobre ella. Un centímetro cúbico de hielo se hunde en el agua hasta que quedan 0.9 cm3 por debajo de la superficie. Estos 0.9 cm3 desplazan 0.9 cm3 de agua líquida, que pesan tanto como 1 cm3 entero de hielo. El hielo es sostenido, entonces, por el empuje del agua, quedando 0.1 cm3 por encima de la superficie. Esto funciona así para el hielo en general, pues cualquier trozo flota en el agua, con una décima parte por encima de la superficie y nueve décimas por debajo.

Esta circunstancia resulta muy afortunada para la vida en general, pues, tal como son las cosas, cualquier hielo que se forme en una masa de agua flota en la superficie, aísla las capas más profundas y reduce la cantidad de calor que escapa de abajo. Gracias a ello, las aguas profundas no suelen congelarse ni siquiera en los climas más gélidos. En cambio,en épocas más calurosas, el hielo flotante recibe el pleno efecto del sol y se funde rápidamente.

Si el hielo fuese más denso que el agua, se hundiría al fondo a medida que fuese formándose, dejando al aire libre otra capa de agua, que, a su vez, se congelaría también. Además, el hielo del fondo no tendría posibilidad alguna de recoger el calor del sol y fundirse. Si el hielo fuese más denso que el agua, las reservas acuáticas del planeta estarían casi todas congeladas, aunque la Tierra no estuviese más lejos del Sol que ahora.