| Hielo | |
|---|---|
| General | |
Nombre sistemático |
Agua |
| química fórmula | H2O _ _ |
| Propiedades físicas | |
| Estado | sólido |
| Masa molar | 18,01528 g/ mol |
| Densidad | 0,9167 g/cm³ |
| Dureza | 1.5 [1] |
| Propiedades termales | |
| La temperatura | |
| • fusión | 0 ºC |
| triple punto | 0,01 °C, 611,73 Pa |
| Calor específico de fusión | 3.3⋅10 5 J/kg |
| Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario. | |
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El hielo es agua en estado sólido de agregación [2] .
A veces se denomina hielo a algunas sustancias en estado sólido de agregación, que tienden a tener forma líquida o gaseosa a temperatura ambiente; específicamente, hielo seco, hielo de amoníaco o hielo de metano .
Actualmente se conocen tres variedades amorfas y 17 modificaciones cristalinas del hielo. El diagrama de fase en la figura de la derecha muestra a qué temperaturas y presiones existen algunas de estas modificaciones ( ver más abajo para una descripción más completa ).
En las condiciones naturales de la Tierra, el agua forma cristales de una modificación cristalina: singonía hexagonal ( hielo Ih ). En el hielo I h , cada molécula de H 2 O está rodeada por cuatro moléculas más cercanas a ella, situadas a la misma distancia de ella, igual a 2,76 Å y situadas en los vértices de un tetraedro regular .
Nuevos estudios sobre la formación de hielo de agua sobre una superficie plana de cobre a temperaturas de -173 °C a -133 °C han demostrado que las primeras cadenas de moléculas de aproximadamente 1 nm de ancho aparecen en la superficie de una estructura pentagonal en lugar de hexagonal [3] .
La estructura cristalina calada de tal hielo conduce al hecho de que su densidad , igual a 916,7 kg/m³ a 0 °C, es menor que la densidad del agua (999,8 kg/m³) a la misma temperatura. Por lo tanto, el agua, al convertirse en hielo, aumenta su volumen en aproximadamente un 9% [4] . El hielo, al ser más liviano que el agua líquida, se forma en la superficie de los cuerpos de agua, lo que evita que el agua se congele más.
El alto calor específico de fusión del hielo, igual a 330 kJ /kg (en comparación, el calor específico de fusión del hierro es de 270 kJ/kg), es un factor importante en la rotación de calor en la Tierra.
El hielo se presenta en la naturaleza en forma de hielo mismo (continental, flotante, subterráneo ), así como en forma de nieve , escarcha , escarcha . Bajo la influencia de su propio peso, el hielo adquiere propiedades plásticas y fluidez.
El hielo natural suele ser mucho más limpio que el agua, ya que cuando el agua cristaliza, las moléculas de agua son las primeras en entrar en la red (ver zona de fusión ). El hielo puede contener impurezas mecánicas : partículas sólidas, gotitas de soluciones concentradas , burbujas de gas . La presencia de cristales de sal y gotas de salmuera explica el carácter salobre del hielo marino.
Las reservas totales de hielo en la Tierra son de unos 30 millones de km³. Las principales reservas de hielo de la Tierra se concentran en los casquetes polares (principalmente en la Antártida , donde el espesor de la capa de hielo alcanza los 4 km).
El agua de los océanos es salada y esto impide la formación de hielo, por lo que el hielo se forma únicamente en las latitudes polares y subpolares, donde los inviernos son largos y muy fríos. Algunos mares poco profundos ubicados en la zona templada se congelan. Distinguir entre hielo anual y multianual. El hielo marino puede estar inmóvil, si está conectado a tierra, o flotar, es decir, a la deriva. En el océano, hay hielos que se han desprendido de los glaciares de la tierra y han descendido al océano como resultado de la ablación : icebergs .
Hay evidencia de la presencia de hielo en los planetas del Sistema Solar (como Marte ), sus lunas , en los planetas enanos y en los núcleos de los cometas .
Lodo de hielo. A fines de la década de 1980, el laboratorio estadounidense Argonne desarrolló una tecnología para la fabricación de hielo en suspensión (ice slurry), capaz de fluir libremente a través de tuberías de varios diámetros, sin acumularse en crecimientos de hielo, sin pegarse y sin obstruir el sistema de enfriamiento [5 ] . La suspensión de agua salada consistía en muchos cristales de hielo redondeados muy pequeños. Gracias a esto, se conserva la movilidad del agua y, al mismo tiempo, desde el punto de vista de la ingeniería térmica, es hielo, que es 5-7 veces más efectivo que el agua fría simple en los sistemas de refrigeración de los edificios. Además, tales mezclas son prometedoras para la medicina. Los experimentos con animales han demostrado que los microcristales de la mezcla de hielo pasan perfectamente a los vasos sanguíneos bastante pequeños y no dañan las células. Frozen Blood extiende el tiempo que lleva salvar a una persona herida. Por ejemplo, durante un paro cardíaco, este tiempo se alarga, según estimaciones conservadoras, de 10-15 a 30-45 minutos [5] .
El uso del hielo como material estructural está muy extendido en las regiones circumpolares para la construcción de viviendas- iglús . El hielo es parte del material propuesto por D. Pike pykrete , a partir del cual se propuso fabricar el portaaviones más grande del mundo . El uso del hielo para construir islas artificiales se describe en la novela de ciencia ficción Ice Island .
| Fase | Características [6] [7] |
|---|---|
| hielo amorfo | El hielo amorfo no tiene una estructura cristalina. Existe en tres formas: hielo amorfo de baja densidad (LDA), que se forma a la presión atmosférica y por debajo de ella, hielo amorfo de alta densidad (HDA) y hielo amorfo de muy alta densidad (VHDA), que se forma a altas presiones. El hielo LDA se produce por enfriamiento muy rápido de agua líquida ("agua vítrea sobreenfriada", HGW), o por condensación de vapor de agua en un sustrato muy frío ("agua sólida amorfa", ASW), o por calentamiento de formas de hielo de alta densidad. a presión normal ("LDA"). |
| hielo yo h | Hielo cristalino hexagonal ordinario . Casi todo el hielo de la Tierra pertenece al hielo I h , y sólo una parte muy pequeña pertenece al hielo I c . |
| Hielo c | Hielo cristalino cúbico metaestable . Los átomos de oxígeno están dispuestos como en una red cristalina de diamante . Se obtiene a una temperatura en el rango de -133 °C a -123 °C, permanece estable hasta -73 °C, y al calentarse más se convierte en hielo I h . Ocasionalmente se encuentra en la atmósfera superior . |
| Hielo II | Hielo cristalino trigonal con una estructura muy ordenada. Formado a partir de hielo I h durante la compresión y temperaturas de −83 °C a −63 °C. Cuando se calienta, se transforma en hielo III. |
| Hielo III | Hielo cristalino tetragonal , que se produce cuando el agua se enfría a -23 °C ya una presión de 300 MPa . Su densidad es mayor que la del agua, pero es el menos denso de todos los tipos de hielo en la zona de alta presión. |
| Hielo IV | Hielo trigonal metaestable . Es difícil de obtener sin una semilla nucleante. |
| Hielo V | Hielo cristalino monoclínico . Ocurre cuando el agua se enfría a -20°C ya una presión de 500 MPa. Tiene la estructura más compleja en comparación con todas las demás modificaciones. |
| Hielo VI | Hielo cristalino tetragonal. Se forma cuando el agua se enfría a -3 °C y a una presión de 1,1 GPa. Exhibe relajación Debye . |
| Hielo VII | Modificación cúbica. La disposición de los átomos de hidrógeno se altera; La relajación de Debye se manifiesta en la materia . Los puentes de hidrógeno forman dos redes que se interpenetran. |
| Hielo VIII | Una versión más ordenada del hielo VII, donde los átomos de hidrógeno ocupan posiciones aparentemente fijas. Se forma a partir del hielo VII cuando se enfría por debajo de 5 °C. |
| Hielo IX | Modificación metaestable tetragonal. Formado gradualmente a partir del hielo III cuando se enfría de -65 °C a -108 °C, estable a temperaturas inferiores a -133 °C y presiones entre 200 y 400 MPa. Su densidad es de 1,16 g/cm³, es decir, ligeramente superior a la del hielo ordinario. |
| Hielo X | Hielo simétrico con una disposición ordenada de protones. Formado a presiones de alrededor de 70 GPa. |
| Hielo XI | Forma rómbica de equilibrio a baja temperatura de hielo hexagonal. Es un ferroeléctrico . |
| Hielo XII | Modificación cristalina densa metaestable tetragonal. Se observa en el espacio de fase del hielo V y el hielo VI. Se puede obtener calentando hielo amorfo de alta densidad desde -196 °C hasta aproximadamente -90 °C y a una presión de 810 MPa. |
| Hielo XIII | Variedad monoclínica cristalina. Se obtiene enfriando agua por debajo de -143°C y una presión de 500 MPa. Una variedad de hielo V con una disposición ordenada de protones. |
| Hielo XIV | Variedad cristalina rómbica. Se obtiene a una temperatura inferior a -155 °C y una presión de 1,2 GPa. Una variedad de hielo XII con una disposición ordenada de protones. |
| Hielo XV | Una variedad cristalina pseudorrómbica de hielo VI con una disposición ordenada de protones. Puede obtenerse enfriando lentamente hielo VI hasta unos -143 °C y una presión de 0,8-1,5 GPa [8] . |
| Hielo XVI | La variedad cristalina de hielo con la densidad más baja ( 0,81 g/cm 3 ) [9] entre todas las formas de hielo obtenidas experimentalmente . Tiene una estructura que es topológicamente equivalente a la estructura de cavidad KS-II ( ing. sII ) de hidratos de gas . |
| Hielo XVII | Una variedad cristalina de hielo con una densidad cristalográfica más baja ( 0,85 g/cm 3 ) [10] que otras formas de hielo obtenidas experimentalmente . Su estructura, como la del hielo XVI , es similar a la estructura de clatrato de los hidratos de gas . Se obtiene a una temperatura de 280 K y una presión de ~400 MPa . Su composición nominal es (H 2 O) 2 H 2 con tres unidades fórmula por celda unitaria. |
| Hielo XVIII | El hielo XVIII, también conocido como "agua superiónica", es una fase del agua que existe a temperaturas y presiones extremadamente altas en las que las moléculas de agua se descomponen en iones de oxígeno e hidrógeno. Los iones de oxígeno cristalizan y forman una red uniformemente distribuida, mientras que los iones de hidrógeno flotan libremente en la red de oxígeno resultante. |
| Hielo XIX | El hielo XIX es la segunda forma ordenada de hielo VI, que se produce cuando el agua se enfría lentamente a una temperatura de 100 K a una presión de unos 2 GPa [11] . |
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