El hielo flota porque es menos denso que el agua líquida. Al congelarse una cantidad de agua, su masa apenas cambia, pero sus moléculas se ordenan en una red cristalina abierta que ocupa más volumen. Al repartir la misma masa en más espacio, la densidad disminuye. El agua desplazada puede entonces ejercer un empuje suficiente para sostener el hielo en la superficie.
Es un comportamiento poco corriente: la mayoría de las sustancias se vuelve más densa al solidificarse. La excepción del agua nace de la forma de su molécula y de los enlaces que establece con sus vecinas.
Densidad: la relación que decide si sube o baja
La densidad indica cuánta masa hay en un volumen determinado. Dos cubos del mismo tamaño no tienen por qué pesar igual: el más pesado contiene más masa por unidad de volumen y, por tanto, es más denso.
Un objeto sumergido recibe un empuje igual al peso del fluido que desplaza. Si su densidad media es menor que la del fluido, puede desplazar su propio peso antes de quedar completamente bajo la superficie y flota. Si es más denso, ni siquiera totalmente sumergido aparta suficiente fluido para equilibrar su peso y se hunde.
El hielo común tiene una densidad aproximada de 0,92 gramos por centímetro cúbico, frente a cerca de 1 gramo por centímetro cúbico para el agua dulce líquida en condiciones habituales. Las cifras varían con la temperatura, las burbujas y las impurezas, pero la diferencia ronda el 9 %.
De ahí se obtiene una imagen conocida: alrededor de nueve décimas partes de un bloque de hielo permanecen bajo el agua y solo una fracción asoma. En un iceberg concreto, la proporción visible también depende de su forma, de la densidad del agua marina y de la cantidad de aire o sedimentos atrapados.
Lo extraño sucede cuando las moléculas se ordenan
Una molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Su distribución de carga no es uniforme: la zona del oxígeno es parcialmente negativa y las de los hidrógenos, parcialmente positivas. Esa polaridad permite que moléculas vecinas formen puentes de hidrógeno.
En el agua líquida, esos enlaces se forman y se rompen continuamente. Las moléculas se mueven, cambian de compañeras y pueden ocupar parte de los huecos. No están desordenadas por completo, pero tampoco quedan fijadas en una estructura rígida.
Cuando el agua se congela en condiciones normales, cada molécula tiende a mantener una disposición tetraédrica con cuatro vecinas. El resultado es una red cristalina de simetría hexagonal con espacios abiertos. Esa geometría mantiene las moléculas, en promedio, más separadas que en el líquido.
Decir que «los puentes de hidrógeno separan las moléculas» es una abreviatura útil, pero incompleta. Es la geometría colectiva que adoptan esos enlaces en el cristal la que crea el volumen abierto. Los puentes de hidrógeno también existen en el líquido; allí la agitación térmica impide que formen la misma red extensa y estable.
Por qué el agua se expande al congelarse
Si una masa de agua pasa a ocupar aproximadamente un 9 % más de volumen, puede ejercer una presión enorme cuando se congela dentro de un espacio cerrado. Eso explica tuberías dañadas y recipientes deformados en el congelador.
No significa que el hielo «fabrique» materia. La masa se conserva; cambia la distancia media entre moléculas. Una botella llena hasta el borde deja muy poco espacio para esa expansión y puede romperse, especialmente si es rígida. No se deben usar recipientes de vidrio cerrados para hacer esta prueba.
Al derretirse, la red pierde su rigidez, parte de los enlaces se reorganiza y muchas moléculas ocupan los huecos. El mismo número de moléculas cabe en un volumen menor, así que el agua líquida resultante es más densa.
El agua es más densa cerca de 4 °C, no justo antes de congelarse
El comportamiento anómalo empieza antes de que aparezca el hielo. Al enfriarse desde una temperatura templada, el agua dulce se contrae y gana densidad, como cabría esperar. Alrededor de 4 °C alcanza su densidad máxima. Si sigue enfriándose hacia 0 °C, comienza a expandirse ligeramente y se vuelve menos densa.
Compiten dos efectos:
- menos movimiento térmico permite que las moléculas se acerquen;
- una red de enlaces cada vez más organizada favorece estructuras abiertas.
Por encima de unos 4 °C domina el primer efecto; por debajo gana importancia el segundo. La cifra exacta depende de la presión y de las sustancias disueltas, por lo que esta explicación se refiere a agua dulce aproximadamente pura a presión atmosférica.
Así se congela un lago desde arriba
Cuando el aire enfría la superficie de un lago, el agua que baja hacia 4 °C gana densidad y se hunde. Otra agua algo más cálida sube, se enfría y continúa la mezcla. Cuando buena parte del lago se aproxima a esa temperatura, el agua superficial que se enfría aún más ya no es la más densa y permanece arriba.
La congelación comienza entonces en la superficie. El hielo flota y forma una cubierta. Esa capa reduce el intercambio de calor con el aire, aunque no lo detiene por completo. Debajo puede seguir habiendo agua líquida, lo que permite que numerosos organismos sobrevivan durante periodos fríos.
No es correcto afirmar que, si el hielo se hundiera, todos los lagos se congelarían siempre de forma sólida. El resultado dependería de profundidad, clima, corrientes y duración del frío. Sí cambiaría radicalmente el modo de congelación: el hielo dejaría la superficie y expondría más agua al aire frío.
El hielo marino añade el papel de la sal
El agua de mar contiene sales disueltas, es más densa que el agua dulce y se congela a una temperatura menor. La NOAA sitúa el inicio de congelación del agua marina media cerca de −1,9 °C, aunque el valor cambia con la salinidad.
La red de hielo incorpora muy poca sal. Al crecer los cristales, gran parte de los iones queda en el líquido circundante; otra parte permanece temporalmente en pequeñas bolsas de salmuera. Con el tiempo, esa salmuera puede drenar por canales, de modo que el hielo marino envejecido suele contener menos sal que el recién formado.
Los pequeños cristales iniciales, llamados frazil, ascienden, se acumulan y terminan formando una capa. La expulsión de sal aumenta la densidad del agua inmediatamente inferior y contribuye a movimientos de hundimiento y mezcla.
El hielo marino sigue flotando porque su densidad global es menor que la del agua salada que desplaza. Las bolsas de aire pueden reducirla aún más, pero no son la causa fundamental: un cubo de hielo transparente y sin burbujas también flota.
¿Un iceberg sobresale siempre una décima parte?
«Solo vemos la punta del iceberg» expresa una idea correcta, pero el porcentaje no es fijo. Para un bloque homogéneo en equilibrio, la fracción sumergida se aproxima a la densidad del hielo dividida por la del agua. Cambiar cualquiera de esas densidades altera el resultado.
Un iceberg puede incluir grietas, nieve compactada, burbujas, agua de fusión y sedimentos. Su forma también determina cuánto volumen queda a cada altura. Además, puede girar cuando el deshielo cambia la posición de su centro de gravedad y de su volumen sumergido.
La mayor parte permanece bajo el agua, pero no se debe deducir la forma oculta prolongando sin más lo que asoma en la superficie.
¿Todo tipo de hielo flota?
La respuesta cotidiana se refiere al hielo cristalino normal que aparece en congeladores, lagos y la superficie del océano. A presiones muy elevadas existen otras fases sólidas del agua, con estructuras y densidades diferentes. Algunas son más densas que el agua líquida de referencia.
También el «hielo pesado», formado con agua enriquecida en deuterio, puede hundirse en agua normal. Son casos especiales de laboratorio o de condiciones extremas y no contradicen la explicación de un cubito doméstico.
Que el hielo común flote reúne dos niveles de la física. A escala molecular, los puentes de hidrógeno organizan una red abierta que aumenta el volumen. A escala visible, esa menor densidad permite que el empuje del agua equilibre el peso antes de que el bloque se sumerja por completo. La familiar punta blanca sobre un vaso es el resultado macroscópico de una arquitectura invisible.
