¿Cómo se congela el agua?

Cuando el agua se congela, generalmente pasa del estado líquido al sólido. Como líquido, las moléculas de agua están en constante movimiento, chocando y empujándose entre sí y nunca permanecen en un lugar por mucho tiempo. Cuando el agua se congela, las moléculas se ralentizan y se asientan en su lugar, alineándose en formaciones regulares que se ven como cristales. Para el agua pura, la temperatura debe bajar a 32 grados Fahrenheit (cero grados Celsius) para que esto suceda. Para cualquier sustancia, la temperatura a la que se produce la congelación depende de las fuerzas que hacen que sus moléculas se unan.

Todas las moléculas y átomos tienen fuerzas que se atraen entre sí. Algunos átomos, como el carbono, se adhieren entre sí con mucha fuerza; otros, como el helio, tienen muy poca fuerza de atracción. Las sustancias con fuertes fuerzas de atracción se congelan a miles de grados Fahrenheit, mientras que aquellas cuyas fuerzas son débiles, como el nitrógeno, se congelan a temperaturas muy frías. La atracción entre las moléculas de agua es moderada, ni débil ni poderosa, por lo que el agua se congela a unos modestos 32 grados Fahrenheit.

Si agrega otras sustancias al agua, como azúcar o sal, la temperatura desciende por debajo de los 32 grados antes de que comience a formarse hielo. El nuevo punto de congelación depende de la sustancia agregada y de la cantidad que se mezcle con el agua, y es por eso que las ciudades ponen sal en las carreteras en algunos estados para eliminar el hielo y la nieve en el invierno. Como otro ejemplo, el vodka, una mezcla de agua y alcohol, permanece líquido durante un período prolongado cuando se guarda en un congelador. El alcohol en el vodka reduce significativamente el punto de congelación.

La mayoría de las sustancias se contraen o encogen de volumen a medida que se enfrían. El agua solo se contrae hasta que se baja a 39 grados; a temperaturas más frías, comienza a expandirse. A medida que el agua se enfría, sus moléculas se ralentizan y se organizan de manera que existan espacios entre los grupos de moléculas. A medida que se enfrían, las moléculas forman patrones hexagonales que eventualmente se convierten en copos de nieve y cristales relacionados.

Si llena una botella completamente llena de agua y luego sella con una tapa antes de ponerla en el congelador, el agua se expande a medida que se enfría. Eventualmente, el hielo hará estallar la botella. Esto es cierto incluso para recipientes hechos de materiales fuertes como el hierro; la presión ejercida por el agua helada es tan alta como 40.000 psi a menos 7,6 grados Fahrenheit (menos 22 grados Celsius).