Conozco la explicación tradicional, que dice que el hielo tiene grandes espacios entre $ \ ce {H2O} $ moléculas porque los enlaces de hidrógeno le dan una estructura abierta. Pero, ¿qué tiene que ver la estructura abierta con los enlaces de hidrógeno? ¿Por qué no se observa un fenómeno similar en otras especies que exhiben enlaces de hidrógeno, como $ \ ce {HF} $ o $ \ ce {NH3} $?
Comentarios
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- Esto ciertamente no ' t responde su pregunta, pero para su información, es ' un mito de que la expansión por congelación es exclusiva del agua. Hay una gran cantidad de compuestos orgánicos para los cuales este es el caso, también algunos elementos puros que claramente no enlaces de hidrógeno como galio, antimonio, germanio, silicio y más.
- Lo que no ' no entiendo es por qué el enlace de hidrógeno de alguna manera hace que el hielo tenga un estructura abierta.
Respuesta
La siguiente es una imagen de la forma cristalina hexagonal del hielo ordinario (Ice I $ _h $) tomado de SS Zumdahl, Chemistry, 3rd ed., copyright © 1993 de DC Heath and Company:
Tenga en cuenta que las líneas discontinuas representan enlaces de hidrógeno. El agua líquida en realidad tiene una estructura «abierta» similar también debido a los enlaces de hidrógeno. Pero en el caso del agua líquida, los enlaces de hidrógeno no son rígidos y semipermanentes como en el hielo. Así que imagina que en la imagen de arriba, la red de enlaces de hidrógeno colapsa. Esto es lo que sucede cuando hay suficiente energía térmica para romper los rígidos enlaces de hidrógeno que resultan en la fusión. Claramente, una vez que esta estructura cristalina ya no es forzada a colocarse en su lugar por los rígidos enlaces de hidrógeno en el hielo, puede colapsar sobre sí misma, dando como resultado una mayor densidad de moléculas de agua.
Por lo tanto, la forma líquida del agua, aunque participa en enlaces de hidrógeno transitorios, no está tan abierta y expandida como cuando se mantiene en su forma sólida por los enlaces de hidrógeno rígidos y semipermanentes.
Respuesta
Como complemento a las otras respuestas, tenga en cuenta que la estructura de «panal» que es responsable de la densidad reducida al congelar no es sacrosanta . Puede colapsarse, sin derretirse, por alta presión a partir de aproximadamente 200 MPa. Estas son las fases de hielo a alta presión , de las cuales se conocen aproximadamente una docena. Todos los que están en equilibrio con el líquido, salvo la fase Hielo $ I_h $ de baja presión, son más densos que el líquido con el que están en equilibrio, por lo que el punto de fusión del agua comienza a subir una vez que llegamos al umbral del Hielo $ III. $ a unos -22 ° C y 210 MPa.
También podemos ir en sentido contrario, generando estructuras de hielo aún más abiertas y de menor densidad que Ice $ I_h $. Tales fases no se realizan en pur e agua, pero aparecen en clatratos como el conocido clatrato de metano .
Respuesta
Los enlaces de hidrógeno mantienen las moléculas de agua en su lugar en fase sólida
La estructura del hielo es un marco abierto regular de moléculas de agua dispuestas como un panal
Cuando se derrite, el marco colapsa y las moléculas de agua se juntan, haciendo que el agua líquida sea más densa