El hielo es agua congelada en un estado sólido . [3] [4] Dependiendo de la presencia de impurezas como partículas de tierra o burbujas de aire, puede aparecer transparente o con un color blanco azulado más o menos opaco .
En el Sistema Solar , el hielo es abundante y se produce naturalmente desde tan cerca del Sol como Mercurio hasta tan lejos como los objetos de la nube de Oort . Más allá del Sistema Solar, ocurre como hielo interestelar . Es abundante en la superficie de la Tierra - particularmente en las regiones polares y por encima de la línea de nieve [5] - y, como forma común de precipitación y deposición , juega un papel clave en el ciclo del agua y el clima de la Tierra . Cae como copos de nieve y granizo u ocurre como escarcha, carámbanos o picos de hielo y agregados de nieve como glaciares. y capas de hielo.
El hielo presenta al menos dieciocho fases ( geometrías de empaquetamiento ), según la temperatura y la presión. Cuando el agua se enfría rápidamente ( templado ), se pueden formar hasta tres tipos de hielo amorfo según su historial de presión y temperatura. Cuando se enfría lentamente, se produce un túnel de protones correlacionado debajo−253,15 ° C (20 K ,−423,67 ° F ) dando lugar a fenómenos cuánticos macroscópicos . Prácticamente todo el hielo en la superficie de la Tierra y en su atmósfera tiene una estructura cristalina hexagonal denotada como hielo I h (hablado como "hielo una h") con diminutas trazas de hielo cúbico, denotado como hielo I cy , más recientemente encontrado, Hielo VII inclusiones en diamantes. La transición de fase más común a hielo I h ocurre cuando el agua líquida se enfría por debajo0 ° C (273,15 K ,32 ° F ) a presión atmosférica estándar . También puede ser depositado directamente por vapor de agua , como ocurre en la formación de escarcha. La transición del hielo al agua se está derritiendo y del hielo directamente al vapor de agua es la sublimación .
Como un sólido inorgánico cristalino de origen natural con una estructura ordenada, el hielo se considera un mineral . [8] [9] Posee una estructura cristalina regular basada en la molécula de agua, que consiste en un solo átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno , o H – O – H. Sin embargo, muchas de las propiedades físicas del agua y el hielo están controladas por la formación de enlaces de hidrógeno entre átomos de oxígeno e hidrógeno adyacentes; si bien es un enlace débil, es fundamental para controlar la estructura tanto del agua como del hielo.
Una propiedad inusual del agua es que su forma sólida (hielo congelado a presión atmosférica) es aproximadamente un 8,3% menos densa que su forma líquida; esto equivale a una expansión volumétrica del 9%. La densidad del hielo es 0.9167 [1] –0.9168 [2] g / cm 3 a 0 ° C y presión atmosférica estándar (101,325 Pa), mientras que el agua tiene una densidad de 0.9998 [1] –0.999863 [2] g / cm 3 a la misma temperatura y presión. El agua líquida es más densa, esencialmente 1,00 g / cm 3 , a 4 ° C y comienza a perder su densidad a medida que las moléculas de agua comienzan a formar los cristales hexagonales de hielo.a medida que se alcanza el punto de congelación. Esto se debe a que los enlaces de hidrógeno dominan las fuerzas intermoleculares, lo que da como resultado un empaquetamiento de moléculas menos compactas en el sólido. La densidad del hielo aumenta ligeramente al disminuir la temperatura y tiene un valor de 0,9340 g / cm 3 a -180 ° C (93 K). [10]
Cuando el agua se congela, aumenta de volumen (aproximadamente un 9% para el agua dulce). [11] El efecto de la expansión durante la congelación puede ser dramático, y la expansión del hielo es una causa básica de la erosión por congelación-descongelación de las rocas en la naturaleza y el daño a los cimientos de los edificios y las carreteras por el levantamiento de las heladas . También es una causa común de inundación de casas cuando las tuberías de agua se rompen debido a la presión del agua en expansión cuando se congela.