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¿Qué sucede cuando se congela el agua en un recipiente tan fuerte que el agua no se puede convertir en hielo?

ice crack

Kevin pregunta: ¿Qué pasaría si congelas el agua, pero el recipiente es tan fuerte que el agua no se puede convertir en hielo?

grieta de hieloAlgunos lectores recordarán una clase de ciencias en la que un profesor excitado se dirigió al frente de la clase para mostrar un recipiente de acero pequeño y agrietado, aparentemente dañado por una fuerza increíblemente poderosa, pero diminuta; solo para que dicho maestro revelara que el daño lo había hecho nada más que agua. Sin embargo, ¿qué pasaría si pones el agua en un recipiente del que no pueda salir y luego lo congelas?

La respuesta corta es que el agua todavía se convierte en hielo; sin embargo, si realmente no puede romper las uniones del contenedor en el que está atrapado, se convierte en un tipo de hielo muy diferente al que estamos acostumbrados a ver.

Actualmente conocemos 15 «fases sólidas» diferentes de agua, también conocida como hielo, y cada tipo es distinto debido a la diferente densidad y estructura interna. La forma con la que probablemente esté más familiarizado es el hielo hexagonal, que es lo que sucede cuando el agua se congela normalmente en condiciones normales. Si sigue bajando la temperatura del hielo hexagonal, eventualmente se convierte en hielo cúbico; Ajusta aún más la temperatura y la presión y puedes crear Ice II, Ice III hasta Ice XV.

Debido a la dificultad inherente de producir presiones y temperaturas tan altas / bajas, la ciencia ha necesitado hasta 2009 para documentar completamente todas las formas conocidas de hielo. La mayoría de las formas finales del hielo fueron descubiertas en parte por un grupo de investigadores del departamento de Química de la Universidad de Oxford que pudieron crear Ice XII, XIV y XV por primera vez.

En el caso de Ice XV, crearlo implicó tomar Ice VI y bajar la temperatura a -143 grados Celsius antes de exponerlo a una presión 10,000 veces mayor que la propia atmósfera de la Tierra. Esta forma final de hielo y, por extensión, forma de agua, logró sorprender incluso a las mentes de Oxford cuando, en contra de todas sus expectativas, resultó ser totalmente antiferroeléctrica, al no poder mantener una carga en absoluto.

Pero en el sentido más simple, las diferentes formas de hielo se crean a través de una combinación variable de presión y temperatura, cuyas combinaciones exactas se pueden encontrar echando un vistazo rápido al diagrama de fases del agua. Sin embargo, los científicos pueden inclinar artificialmente la balanza a su favor a través de varios medios. Por ejemplo, al crear Ice XIII y XIV, el Dr. Christoph Salzmann y su equipo en Oxford utilizaron medidas cuidadosas de ácido clorhídrico para alterar la temperatura necesaria para crear el hielo.

Si lo anterior parece bastante simple en el esquema de las cosas, es porque lo fue y otros científicos, como el profesor John Finney (quien fue parte del equipo que descubrió y creó Ice XII en 1996) lo notaron cuando se les preguntó al respecto, comentando que el equipo de Salzmann había hecho en unos años lo que otros investigadores no pudieron hacer en 40.

Volviendo a la pregunta en cuestión, el hielo normal, o al menos la versión con la que estaba familiarizado antes de que le dijéramos sobre los otros 14 tipos, es capaz de aplicar cantidades masivas de fuerza cuando se congela y se expande. Esto se debe a un rasgo muy singular del agua, principalmente porque es menos densa como sólido que como líquido. Esta disparidad de densidad se debe a cómo reaccionan las moléculas de agua al congelarse; Las moléculas de agua se unen en una estructura hexagonal rígida que deja un espacio pequeño pero significativo entre los átomos que no estaba cuando el agua era líquida. Para los curiosos, el agua alcanza su punto más denso a los 4 grados centígrados; cualquier frío o calor y comienza a expandirse.

Entonces, ¿exactamente cuánta fuerza es capaz de ejercer el hielo? Bueno, la gente ha estado tratando de resolver esto durante mucho tiempo. En 1784 y 1785, un comandante Edward Williams aprovechó el clima en Quebec y en repetidas ocasiones intentó sin éxito encontrar un método para contener el hielo. Williams al principio trató de sellar el agua dentro de los proyectiles de artillería, cuyos tapones de hierro fundido se lanzaron a 475 pies a una asombrosa velocidad de 20 pies por segundo cuando la presión se volvió demasiado grande. Sin inmutarse, Williams decidió anclar los tapones en su lugar con ganchos, solo para que las carcasas se partieran en dos.

En otro experimento, se intentó llenar cañones hechos de hierro fundido de una pulgada de espesor con agua solo para que también se partieran cuando se congelaran. Más tarde, los académicos en Florencia intentaron llenar una bola hecha de latón de una pulgada de espesor con agua solo para que también se agrietara cuando se congelaba. Más tarde descubrieron que la fuerza requerida para hacerlo era de alrededor de 27,720 libras.

Para obtener una respuesta más exacta, debe volver una vez más al diagrama de fase del agua, que muestra que el hielo se convertirá en Ice II cuando la presión alcance los 300 Mega Pascales, que es exactamente 43,511.31 libras de fuerza por pulgada cuadrada. En otras palabras, esa es la cantidad de presión que un recipiente necesitaría para poder sobrevivir para evitar que el agua se convierta en hielo normal, lo que en su lugar hará que se convierta en Ice II.

Entonces, para responder a la pregunta inicial, si congeló el agua dentro de un recipiente tan fuerte que no podría convertirse en hielo, aún se convertiría en hielo, solo un tipo de hielo ligeramente diferente en términos de clasificación científica y su estructura interna. ¡Ciencias!

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