Ver el código de «Hielo»

{{otros usos}}
[[Archivo:IceBlockNearJoekullsarlon.jpg|thumb|Bloque natural de hielo de cuatro toneladas en una playa [[Islandia|islandesa]].]]
[[Archivo:Perito Moreno minitrekking Stevage.jpg|thumb|Senderismo sobre hielo.]]
[[Archivo:Ice, Frozen Don River, Rostov-on-Don, Russia.jpg|thumb|Hielo de río.]]

El '''hielo''' (del [[latín]] ''gelu'')  es [[agua]] en estado [[sólido]], uno de los tres estados naturales del [[agua]] que forman parte de los cuatro [[Estado de agregación de la materia|estados de agregación de la materia]].<ref>{{Cita DLE|hielo|fechaacceso=17 de mayo de 2024}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.significadode.org/gelo.htm|título=GELO - Diccionario Abierto de Español|fechaacceso=2024-05-21|sitioweb=www.significadode.org|idioma=es}}</ref> El agua pura se [[Congelación|congela]] a 0&nbsp;[[grado Celsius|°C]] cuando se halla sometida a una [[Atmósfera (unidad)|atmósfera]] de presión.  

El '''hielo''' es el nombre común del agua en estado sólido; otras denominaciones son [[nieve]], [[escarcha]], [[granizo]], etc.<ref>Aguilera Mochón, J.A. (2017) ''El agua en el cosmos'', p. 30. </ref>

== Volumen y densidad del agua al solidificarse ==
El agua es una de las pocas sustancias que al congelarse aumenta de [[volumen (física)|volumen]] (por lo tanto, disminuye su densidad);<ref>{{Cita libro|título=Física|url=https://books.google.es/books?id=KCvdzVRb4I4C&pg=PA323&dq=agua+congelarse+aumenta+de+volumen&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwjG5svWmdPmAhWGlxQKHUFXDTwQ6AEIKTAA#v=onepage&q=agua%20congelarse%20aumenta%20de%20volumen&f=false|editorial=Pearson Educación|fecha=2001|fechaacceso=26 de diciembre de 2019|isbn=978-970-26-0015-2|idioma=es|nombre=Raymond A.|apellidos=Serway|nombre2=Jerry S.|apellidos2=Faughn}}</ref> es decir, se expande. Esta propiedad es lo que evita que los [[océano]]s de las [[regiones polares]] de la [[Tierra]] se congelen en todo su volumen, puesto que el hielo flota en el agua y es lo que queda expuesto a los cambios de temperatura de la [[atmósfera]]. La [[densidad]] típica del hielo a 0&nbsp;°C suele tomarse como 0,916{{esd}}g/cm³, o como 916,8{{esd}}[[Kilogramo por metro cúbico|kg/m³]].

== Estructura cristalina ==
{{Referencias|t=20191226112540}}[[Archivo:SnowflakesWilsonBentley.jpg|thumb|Cristales de hielo, estudiados por Wilson Bentley en 1902.]]
El hielo se presenta en 12 estructuras o fases cristalinas diferentes. A las presiones habituales en el medio terrestre (en el entorno de la presión atmosférica), la fase estable suele denotarse como fase{{esd}}I según la terminología de Tamman. Dicha fase{{esd}}I presenta dos variantes relacionadas entre sí: el hielo hexagonal, denotado '''Ih''', y el hielo cúbico, '''Ic'''. El hielo hexagonal es la fase más común, y la mejor conocida: su estructura hexagonal puede verse reflejada en los cristales de hielo, que siempre tienen una base hexagonal. El hielo cúbico Ic se obtiene por deposición de [[vapor de agua]] a temperaturas inferiores a –130&nbsp;°C, por lo que no es tan común; aun así, a unos –38&nbsp;°C y 200{{esd}}MPa de presión, situación esperable en los casquetes polares, ambas estructuras están en equilibrio termodinámico.
[[Archivo:Frozen Jesus.jpg|miniaturadeimagen|Cristales de hielo formados en una [[cruz cristiana]], en [[Zermatt]], [[Suiza]].|izquierda]]

El hielo Ih presenta una [[Redes de Bravais|estructura hexagonal]] en la que cada átomo de oxígeno de una molécula de agua tiene otros cuatro átomos de hidrógeno como sus vecinos más próximos, situados en los vértices de un [[tetraedro]] regular cuyo centro es el átomo de oxígeno de interés. Esta unidad tetraédrica es común a todas las demás fases del hielo, y se debe al hecho de que el ángulo entre átomos de hidrógeno en la molécula de agua libre H-O-H es de 104,52°, en vez de 90°. El ángulo tetraédrico entre O-O-O es de 109,47°. Para temperaturas de interés terrestre, la distancia entre átomos de oxígeno O-O es de 0,276&nbsp;nm y entre O-H de 0,0985&nbsp;nm. La unión entre átomos intramoleculares es de enlaces covalentes simples y, por tanto, muy estables, mientras que la unión intermolecular se produce por enlaces de puente hidrógeno relativamente débiles, lo cual explica la relativamente baja temperatura de fusión del hielo. Los parámetros de red más relevantes son el lado hexagonal a=0,451&nbsp;nm, y la altura del prisma hexagonal c=0,7357&nbsp;nm. Estos valores pueden variar ligeramente con la temperatura, pero la relación entre ambos, c/a=1,628, permanece prácticamente estable y muy cercana al valor óptimo de c/a=1,633, teorizado para esferas sólidas en contacto formando la misma estructura hexagonal. La estabilidad del parámetro c/a explica el hecho de que la expansión térmica del hielo se produzca de manera isotrópica. Por su parte, el hecho de que el hielo Ih tenga una estructura hexagonal explica la [[anisotropía]] usualmente observada en sus propiedades mecánicas: el [[módulo de Young]], por ejemplo, que se sitúa en el entorno de E=9-10{{esd}}GPa para cristales puros, presenta [[isotropía]] radial, y varía considerablemente según la dirección de la deformación; la resistencia mecánica, situada en el entorno de 1{{esd}}MPa para cristales puros en la dirección basal, puede alcanzar los 7{{esd}}MPa en ciertas configuraciones. La presencia de impurezas en la red es práula, salvo para algunas sustancias puntuales como el [[Fluoruro de amonio]], NH4F. Los [[defectos cristalinos]] pueden ser cuatro: vacantes, intersticiales, iónicos o de Bjerrum, los dos últimos siendo exclusivos del hielo y estando relacionados con la rotación de hidrógenos de una molécula de agua en la red.

En todo caso, la estructura Ih del hielo es poco compacta —lo cual explica su menor densidad con respecto a la fase líquida— sobre todo si se compara con estructuras análogas en otros materiales cristalinos como los metales. El [[factor de empaquetamiento]] es de 0,34, muy inferior al 0,74 típico de los metales. Ello se explica por la repulsión de átomos de hidrógeno y oxígeno conforme se compacta la red. De hecho, esta repulsión lleva a que, cuando la presión sobre la red hexagonal es lo suficientemente elevada, esta estructura deje de ser estable y aparezcan otras que la sustituyan.

En efecto, el resto de fases cristalinas se producen a presiones mucho más altas, y hasta 1900 eran desconocidas. De hecho, no existen en la Tierra, pues los casquetes polares terrestres son demasiado finos como para permitir la aparición de fases estables distintas al hielo Ih. Sin embargo, la situación es distinta en las grandes lunas heladas del sistema solar como [[Europa (satélite)|Europa]] o [[Tritón (satélite)|Tritón]], donde se postula que las presiones en el núcleo son lo suficientemente elevadas como para asegurar la aparición de fases estables distintas a la Ih, que a dichas presiones sería inestable. Las fases cristalinas de alta presión mejor conocidas son las fases{{esd}}II y III; en laboratorio solo se han estudiado las fases{{esd}}II, III, V y VI,<ref>Schulson, Erland M. ''Creep and Fracture of Ice'', [[Cambridge University Press]], 2009. ISBN 978-0-521-80620-6</ref> mientras que el resto permanecen básicamente desconocidas.

La estructura del hielo{{esd}}II es romboidal. Este hielo se forma a unos 238{{esd}}K para presiones de 283 atmósferas, y su densidad es de 1193&nbsp;kg/m³ por ser una estructura mucho más compacta. El hielo{{esd}}III es tetragonal, y aparece a unos 246&nbsp;K y 276&nbsp;atm, siendo su densidad de 1166&nbsp;kg/m³. El hielo V es [[monoclínico]], aparreciendo a 237,5&nbsp;K y 480&nbsp;atm, con una densidad de 1267&nbsp;kg/m³. El hielo{{esd}}VI es [[tetragonal]], y aparece a 237,5{{esd}}K para 777{{esd}}atm, con una densidad de 1360&nbsp;kg/m³. Todas estas fases son esencialmente frágiles, aunque presentan gran tendencia a la fluencia en el tiempo ([[Deformación por fluencia lenta|creep]]) y cierto comportamiento [[viscoelasticidad|viscoelástico]].

Aunque inicialmente se creía que eran fases nanocristalinas, aparte de las fases cristalinas arriba mencionadas, el hielo puede aparecer en dos fases [[amorfa]]s (vítreas): el hielo amorfo de baja densidad (940&nbsp;kg/m³ a –196&nbsp;°C y 1{{esd}}atm) y el hielo amorfo de alta densidad (1170&nbsp;kg/m³, mismas condiciones). La formación del hielo amorfo es complicada, y se relaciona con el tiempo de solidificación dado al agua; puede formarse por condensación de vapor por debajo de –160&nbsp;°C, por colapso de la estructura Ih bajo elevada presión por debajo de –196&nbsp;°C. En todo caso, salvo en ciertas situaciones muy concretas, no son fases comunes en la [[Tierra]].

== El hielo como mineral ==
{{Ficha de mineral
|nombre           = Hielo mineral
|imagen           = Mineral Ice.JPG
|tamaño de imagen = 
|pie de imagen    = 
|categoría        = [[Minerales óxidos]]
|clase            = 4.AA.05 ([[Strunz]])
|fórmula          = [[Hidrógeno|H]]<sub>2</sub>[[Oxígeno|O]]
|color            = Incoloro a blanco
|raya             = Blanca
|lustre           = Vítreo
|transparencia    = Transparente
|sistema          = [[Sistema cristalino hexagonal|Hexagonal]]
|fractura         = Concoidea
|dureza           = 1,5 ([[Escalas de dureza|Mohs]])
|tenacidad        = Quebradizo
|densidad         = 0,917&nbsp;g/cm³
|magnetismo       = Diamagnético
|var1     = [[Nieve]]
}}
En mineralogía es aceptado como mineral válido por la [[Asociación Mineralógica Internacional]], pues es un sólido estable a temperaturas de menos de 0&nbsp;°C. Se clasifica en el grupo 4 de [[minerales óxidos]] al ser un óxido de hidrógeno, normalmente con abundantes impurezas.<ref>[http://www.mindat.org/min-2001.html Hielo mineral en ''mindal.org''].</ref>

== Tipos de hielo ==
Como en la mayoría de los sólidos, en el hielo las [[molécula]]s se acomodan en una formación ordenada. Sin embargo, dependiendo de las condiciones de [[presión]] y [[temperatura]], es posible que adopten diferentes formas de ordenarse. A partir de 1900, [[Gustave Tamman]] y posteriormente en 1912 [[Percy Bridgman]] hicieron experimentos sobre el hielo aplicándole diferentes presiones y temperaturas, y obtuvieron hielos diferentes con mayores densidades que la normal (posteriormente se encontraron muchos más tipos de hielo). Todas estas formas de hielo tienen estructuras más compactas (diferentes formas de un elemento existentes en el mismo estado físico), o sea que se forman varias modificaciones alotrópicas o [[alótropo]]s.

Los tipos de hielo conocidos son los siguientes:

* '''MDA''' o hielo amorfo de densidad media, se caracteriza por no tener una estructura cristalizada y ser más similar en [[estructura molecular]] al agua líquida que a cualquier otro tipo de hielo conocido. Además, tiene la misma [[densidad]] que el agua líquida.
* '''[[Hielo Ih|Hielo I<sub>h</sub>]]''' (Todo el hielo que se forma en la biosfera terrestre es hielo del tipo{{esd}}Ih, a excepción de una pequeña cantidad de hielo{{esd}}Ic. Los cristales de hielo tienen forma hexagonal).
* '''[[Hielo Ic|Hielo I<sub>c</sub>]]''' (baja temperatura, cúbica centrada en las caras, densidad aproximadamente 900&nbsp;kg/m³).
* '''[[Hielo II]]''' (baja temperatura, ortorrómbica centrado, densidad aproximadamente 1200&nbsp;kg/m³).
* '''[[Hielo III]]''' o '''Iii''' (baja temperatura, tetragonal, densidad aproximadamente 1100&nbsp;kg/m³).
* '''[[Hielo V]]''' (alta presión, baja temperatura, monoclínica de base centrada, densidad aproximadamente 1200&nbsp;kg/m³).
* '''[[Hielo VI]]''' (alta presión, baja temperatura, tetragonal, densidad aproximadamente 1300&nbsp;kg/m³).
* '''[[Hielo VII]]''' (alta temperatura, alta presión, cúbico sencilla, densidad aproximadamente 1700&nbsp;kg/m³).
* '''[[Hielo VIII]]''' (alta presión, tetragonal centrada, densidad aproximadamente 1600&nbsp;kg/m³).
* '''[[Hielo IX]]''' (alta presión, tetragonal, densidad aproximadamente 1200&nbsp;kg/m³).
* '''[[Hielo XII]]''' (alta presión, baja temperatura, tetragonal, densidad aproximadamente 1300&nbsp;kg/m³).

== Fusión eutéctica ==
En las condiciones terrestres y durante invierno es frecuente agregar [[Sal (condimento)|sal]] al hielo para que se funda. De hecho, lo que se funde no es el hielo, sino un compuesto de hielo y sal llamado «[[eutéctico]]». Cuando la sal NaCl (Na<sup>+</sup>, Cl<sup>–</sup>) entra en contacto con el hielo, los iones se arreglan alrededor de las moléculas de agua, que son polares (H<sub>2</sub><sup>δ+</sup>, O<sup>δ–</sup>) y viene a formar un compuesto (H<sub>2</sub>O).(NaCl). Para este rearreglo hacen falta solamente unos pequeños movimientos de átomos, y se hace, por lo tanto, en fase sólida. Cuando se respetan las proporciones exactas (alrededor del 23&nbsp;% de sal en masa), se tiene un producto que se comporta como producto puro (particularmente, hay una temperatura de fusión constante) y que se califica de «eutéctica». La temperatura de fusión de esta eutéctica es de alrededor de –21&nbsp;°C.

Si la proporción de sal es inferior a esta relación, se da una mezcla agua-eutéctica, que se funde a una temperatura superior (entre –21&nbsp;°C y 0&nbsp;°C). Si la proporción de sal es superior, se tiene una mezcla sal-eutéctica que también se funde a una temperatura superior. Se puede trazar un diagrama, llamado [[diagrama de fase]], que representa la temperatura de fusión en función de las proporciones agua-sal.

<center>   
[[Archivo:diag phase eau sel.png|diagrama de fase agua-sal a presión atmosphérique]]<br /><small>''Diagrama de fase agua-sal a presión atmosférica; la [[Eutéctico|eutéctica]] se forma en una proporción de agua de 0,2331 en masa (23,31&nbsp;% de sal y 76,69&nbsp;% de agua en masa)''.</small></center>

El «arreglo» agua + sal → eutéctica no puede darse sino en los puntos de contacto entre los cristales de hielo y de sal, o sea en la superficie del hielo. Se forma así una capa superficial de eutéctica que se funde (si la temperatura es superior a –21&nbsp;°C). Como la sal está en sobresaturación, se disuelve en la eutéctica fundida y puede reaccionar con el hielo que se encuentra sobre la película líquida. El fenómeno se propaga entonces hasta que falta agua o sal para formar una nueva eutéctica.

Así, en teoría, sería posible impedir la formación de hielo hasta los –21&nbsp;°C. En la práctica, es imposible dosificar la cantidad de sal que debe usarse.

== Descenso crioscópico ==
El [[descenso crioscópico]] es la reducción del punto de fusión de un disolvente puro por la presencia de [[Soluto|solutos]]. Es directamente proporcional a la [[molalidad]], lo que hace que sea más importante para solutos iónicos, como los que predominan en el [[agua de mar]], que para los no iónicos. El fenómeno tiene importantes consecuencias en el caso del agua de mar, porque la respuesta al enfriamiento intenso del agua del océano, como ocurre en el invierno de las regiones polares, es la separación de una fase sólida flotante de agua pura en forma de hielo. Es así como se forma la [[banquisa]] en torno a la [[Antártida]] o al [[océano Ártico]], como un agregado compacto de hielo puro de agua, con salmuera llenando los intersticios, y flotando sobre una masa de agua líquida a menos de 0&nbsp;°C (hasta un límite de –1,9&nbsp;°C para una salinidad del 3,5&nbsp;%).

== El color del hielo ==
En ciertas ocasiones el hielo se ve de color [[azul]].
[[Archivo:Blue iceberg south polar circle.jpg|thumb|220px|left|Bloque de hielo azul en el círculo polar antártico.]]
La luz blanca del [[Sol]] está realmente formada por una mezcla de colores, desde el rojo al violeta, como se comprueba cuando se hace pasar un rayo de luz a través de un prisma de vidrio, o en el [[arco iris]]. Las ondas de luz más azuladas tienen más energía que las amarillas o las rojas. La [[nieve]] es blanca porque toda la luz que le llega es reflejada en una capa muy delgada que se encuentra en su superficie. Las pequeñas burbujas de aire que están atrapadas en el hielo reflejan la luz múltiples veces y todos los colores, desde el rojo al violeta, escapan, de modo que la luz que recibimos es luz blanca. El hielo aparece azul cuando tiene una consistencia muy alta y las burbujas de aire no impiden el paso de la luz a través de él. Sin el efecto «dispersivo» de las burbujas, la luz puede penetrar en el hielo, siendo absorbida paulatinamente en su camino hacia las partes más profundas. Los fotones rojos, que tienen menor energía que los azules, penetran menos distancia y son absorbidos antes. En promedio, la absorción de luz roja en el hielo es seis veces más eficiente que la absorción de luz azul; por tanto, cuanta más distancia viaje un haz de luz blanca, pierde en su camino más y más [[fotón|fotones]] rojos, amarillos, verdes… y son los azules los que «sobreviven». Esta es la razón del color azul del hielo puro, y de un [[glaciar]] o de un [[iceberg]].

Dicho de otra manera, el hielo más compacto, como el hielo glaciar, se comporta de una forma especial al recibir la luz. Al incidir un rayo de luz, solo el componente azul de la radiación solar tiene la suficiente energía para penetrar en el interior de la masa de hielo. Por ello, al absorber los otros colores, el hielo glaciar aparece de color azul.

== Otras acepciones ==
Por extensión se usa el nombre ''hielo'' para otro tipo de compuestos químicos. Así, por ejemplo, se habla de [[hielo seco]] para referirse al estado sólido del [[anhídrido carbónico]] (dióxido de carbono o CO<sub>2</sub>).

== Acción erosiva ==
La expansión del agua al solidificarse tiene efectos geológicos importantes. El agua que se introduce en las grietas diminutas de las rocas de la superficie terrestre crea una enorme cantidad de presión al solidificarse y parte o rompe las rocas. Esta acción del hielo desempeña un papel importante en la erosión. Además, los [[glaciar]]es, mediante fricción, pulen el terreno por donde circulan.

== Formaciones de hielo sin agua ==
[[Archivo:yuniversitytoronto.jpg|thumb|right|250px|Hielo en el [[estacionamiento]] de la [[Universidad de York]], en el [[Canadá]], a 13 [[Grado Celsius|grados Celsius]] positivos.]]
Las fases sólidas de algunas otras sustancias también reciben el nombre de hielo, sobre todo en el contexto astrofísico: el [[hielo seco]] es un término comúnmente utilizado para el [[dióxido de carbono]] sólido.

Un monopolo magnético de hielo también se puede llevar a cabo al aislar los materiales magnéticos en los cuales los momentos magnéticos imitan la posición de los protones en el agua de hielo y se rigen por limitaciones energéticas similares a las reglas de Bernal-Fowler, derivados de la [[frustración geométrica]] en la configuración de un protón en el hielo de agua. A estos materiales se les denomina [[hielos de espín]].

== Volumen de agua al derretirse ==
Cuando una masa de hielo que se encuentra flotando se derrite, el nivel del agua no aumenta.<ref>[https://ingenieriabasica.es/hielo-nivel-de-agua/ Si se derrite el hielo, ¿Aumenta el nivel de agua? Demostración matemática]</ref> Esto se debe a que en todo momento el volumen de agua que potencialmente una masa de hielo puede generar al derretirse es igual al volumen de hielo que se encuentra sumergido en ese momento.

El peso de una masa de hielo es:
{{Ecuación| <math> P=\rho_{h} V_{hielo} g</math> ||left}}

El empuje de [[Arquímedes]] que recibe es:
{{Ecuación| <math> E=\rho_{a} V_{s} g</math> ||left}}

Igualando ambos términos, haciendo equilibrio de fuerzas llegamos a:
{{Ecuación| <math> V_{s}=\frac{\rho_{h}}{\rho_{a}}V_{hielo} </math> ||left}}

'''''Lo que relaciona el volumen sumergido con el volumen total de hielo existente.'''''

Para demostrar que el volumen de hielo que se derrite es igual al que se sumerge primero aplicamos conservación de la masa:
{{Ecuación| <math> M_{hielo}=\rho_{h}V_{hielo}=\rho_{a} V_{derretido} </math> ||left}}

Introduciendo los valores calculados anteriormente llegamos a:
{{Ecuación| <math> V_{derretido}=\frac{ \rho_{h} }{ \rho_{a} } * \frac{\rho_{a}}{\rho_{h}}V_{s} =V_{s} </math> ||left}}

'''''Demostrando la equivalencia de volumen.'''''

Si el nivel del agua no varía... '''¿Por qué dicen que al derretirse los polos aumentará el nivel de los océanos?'''<ref>{{Cita web|url=https://ingenieriabasica.es/hielo-nivel-de-agua/#Si_el_nivel_de_agua_no_varia_Por_que_se_habla_del_hielo_de_los_polos_y_el_nivel_del_agua|título=Si el nivel de agua no varía, ¿Por qué se habla del hielo de los polos y el nivel del agua?}}</ref>

Hemos visto que si una masa de hielo flotante se derrite no afectará al nivel del agua. Sin embargo, si el hielo que se derrite se encuentra sobre tierra firme, sí. La [[Antártida]], por ejemplo, es un continente cubierto completamente por hielo que descansa sobre tierra firme. Por lo tanto, si se derrite el hielo y/o se desprende algún fragmento de hielo al océano, incrementará el nivel del agua.

== Véase también ==
{{Lista de columnas|3|
* [[Aguanieve]]
* [[Banquisa]]
* [[Carámbano]]
* [[Cometa]]
* [[Congelación atmosférica]]
* [[Difluencia glaciar]]
* [[Dióxido de carbono]]
* [[Escalada en hielo]] 
* [[Escarcha]]
* [[Exclusión de salmuera]]
* [[Glaciar]]
* [[Glaciar de circo]]
* [[Glaciar de valle]]
* [[Glaciología]]
* [[Granizo]]
* [[Helada]]
* [[Hidrato de gas]]
* [[Hielo azul]]
* [[Hielo VII]]
* [[Iceberg]]
* [[Nieve]]
* [[Perdigones de hielo]]
* [[Permafrost]]
* [[Prismas de hielo]]
* [[Rimaya]]
* [[Serac]]
* [[Valle glaciar]]
}}

== Referencias ==
{{listaref}}

== Enlaces externos ==
{{commonscat|Ice}}
{{wikcionario}}

{{Control de autoridades}}
[[Categoría:Formas de agua]]
[[Categoría:Hielo| ]]
[[Categoría:Minerales óxidos]]
[[Categoría:Sistema hexagonal]]