Mi libro dice que a la presión atmosférica el hielo cristaliza en forma hexagonal, pero a temperaturas muy bajas se condensa en forma cúbica.
¿Por qué y cómo ocurre esto?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Primero, una pequeña aclaración. El tipo de hielo que se ve a presión ambiente, el hielo I, existe como pilas de bicapas de moléculas de agua. Si se apilan en una secuencia ABAB, forman hielo hexagonal, y hielo cúbico en una secuencia ABCABC. La diferencia entre los dos alótropos es sólo el apilamiento de las moléculas, por lo que en realidad son estructuralmente muy similares. La estructura del hielo cúbico es análoga a la del diamante del carbono, y la del hielo hexagonal es análoga a la de la lonsdalita. Este panorama se complica por el hecho de que el hielo suele estar desordenado por protones, es decir, las moléculas pueden tener diferentes orientaciones que rompen la simetría del cristal, sujetas a ciertas reglas (las "reglas del hielo").
Hay pruebas de que el hielo cristaliza como hielo cúbico en la atmósfera superior, concretamente el ángulo subtendido por los halos solares y los ángulos formados en los copos de nieve nacientes, por ejemplo. Sin embargo, pruebas más recientes sugieren que el hielo cúbico no existe como fase pura, sino sólo en hielo hexagonal desordenado por apilamiento ( http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/cp/c4cp02893g#!divAbstract ). Curiosamente, también hay pruebas de que la forma lonsdalita del carbono no existe en la realidad, y es sólo diamante apilado ( http://www.nature.com/articles/ncomms6447 ).
Todo esto está muy bien, pero no nos dice por qué se forma preferentemente hielo hexagonal en determinadas condiciones, o cúbico (?) en otras. Si se realizara un cálculo de la teoría funcional de la densidad (esencialmente, resolver de forma aproximada la ecuación de Schrodinger para un sistema de muchos átomos), se encontraría que los hielos hexagonales y cúbicos tienen energías casi idénticas, y son esencialmente degenerados a temperatura cero, lo que hace aún más confuso por qué el hielo hexagonal se ve casi exclusivamente en la Tierra. No creo que haya una respuesta convincente a tu pregunta, ya que los mejores cálculos no muestran por qué la estructura hexagonal del hielo es más baja en energía que la cúbica, pero podría deberse a varias razones: desorden orientativo, que complica la modelización de los hielos, consideraciones sobre la energía del punto cero o la energía libre, o un fallo en las aproximaciones utilizadas para realizar dichos cálculos. En cualquier caso, parece que el hielo cúbico no existe en condiciones terrestres.
Ochado
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Esta es una pregunta difícil. Al parecer, los investigadores no lo saben todavía (o yo no he conseguido encontrar un artículo que resuelva completamente el problema).
Durante mucho tiempo se pensó que la preferencia por la estructura cúbica a bajas temperaturas se debía a una menor tensión superficial del hielo líquido en los núcleos de hielo cúbicos (véase G. P. Johari, J. Chem. Phys. , 2005 , 122 , 194504 ). Sin embargo, algunos autores señalan que esta afirmación no está respaldada por pruebas sólidas, y señalan que, desde el punto de vista termodinámico, no hay ninguna razón para que se prefiera el cúbico al hexagonal ( E. B. Moore y V. Molinero, Phys. Chem. Chem. Phys. , 2011 , 13 , 20008 ), es decir, que el hielo cúbico no es más estable. Estos autores realizaron simulaciones de dinámica molecular, y concluyeron que el ordenamiento cúbico está controlado cinéticamente, aunque dejaron la elucidación de los factores cinéticos como una cuestión abierta.
Por supuesto, esto se remonta a 2011, cualquier actualización sería bienvenida (no es precisamente mi campo de experiencia...).
Oscar Lanzi
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Como se explica en las otras respuestas, el hielo de agua puede no volverse cúbico a baja temperatura. De hecho, si se forma a una temperatura más alta como la fase hexagonal habitual, el hielo de agua seguirá siéndolo cuando se enfríe. No hay ninguna fuerza termodinámica que impulse a cambiar la estructura hexagonal por una cúbica.
Podemos ampliar las respuestas anteriores de dos, mejor dicho, tres maneras:
1) El hielo a muy bajas temperaturas puede sufrir un proceso de ordenación de protones, formando una fase de menor simetría.
2) El hielo cúbico es dudoso como Hielo I, pero se conoce en una fase de mayor presión, el Hielo VII.
3) Actualización: Cubic Ice I, como $\ce{D2O}$ se ha informado del calentamiento cuidadoso de una fase metaestable de baja densidad, el Hielo XVII.
Pedidos de Proton: Hielo XI
La estructura de hielo presentada en esta respuesta es una especie de idealización. Los átomos de hidrógeno están perfectamente ordenados. Sin embargo, en el Hielo I real (y en otras fases moleculares, que comparten esta característica), los átomos de hidrógeno pueden migrar alrededor de los anillos con enlaces de hidrógeno, de modo que las moléculas siguen siendo $\ce{H2O}$ pero los protones son aleatorios. Sólo los átomos de oxígeno están realmente fijos en el Hielo I, y la conocida simetría hexagonal proviene de la disposición de los átomos de oxígeno en este entorno aleatorio.
Sin embargo, la forma ordenada por protones tiene una energía ligeramente inferior y, a baja temperatura, esto supera la entropía favorable de la disposición aleatoria y la estructura idealizada ahora sí se aplica. Con este cambio se produce una disminución de la simetría de los átomos de oxígeno, de modo que ahora el hielo es ortorrómbico en lugar de hexagonal (o cúbico). Esto es Hielo XI . Se cree que el hielo XI es estable hasta los 72 Kelvins, por lo que puede existir en cuerpos más fríos de nuestro Sistema Solar y en el espacio interestelar.
Cuando la presión es grande: Hielo VII
Mientras que la forma cúbica de Ice I parece ser de dudosa existencia Pero tiene la propiedad de que, si la ampliamos ligeramente, otra estructura cúbica idéntica puede entrelazarse con ella. Esto es lo que ocurre en Hielo VII y su forma ordenada por protones a baja temperatura Hielo VIII (de nuevo el ordenamiento de los protones disminuye la simetría, por lo que el hielo VIII es tetragonal en lugar de cúbico). Ambos se forman bajo una presión de varios GPa. El hielo VII se ha identificado en los diamantes, lo que indica que el agua de la Tierra no está sólo en la superficie, sino que penetra profundamente en el manto y, por tanto, afecta ampliamente a la estructura y la física de las rocas terrestres. El hallazgo del Hielo VII en la Tierra se analiza con más detalle en esta respuesta de Space Exploration Stack Exchange .
Esto acaba de llegar: Cubic $\ce{D2O}$ Hielo I
Leo del Rossi at al. informe en Materiales naturales que el hielo I puramente cúbico puede obtenerse del calentamiento cuidadoso de $\ce{D2O}$ Hielo XVII entre $110$ y $180$ Kelvins. El propio Hielo XVII es metaestable y se hizo en este caso como un clatrato con hidrógeno (o deuterio). La eliminación cuidadosa del hidrógeno a baja temperatura dio como resultado el Hielo XVII purificado, que al calentarse se transformó en la fase cúbica del Hielo I antes de pasar a la hexagonal del Hielo I. Múltiples técnicas analíticas corroboran la existencia del hielo cúbico.
Enigmativity
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[PS. No sé mucho, pero aun así intentaré responder basándome en mi lógica y mis conocimientos previos]
La estructura molecular del hielo es siempre hexagonal. Sin embargo, a temperaturas más altas, la molécula se condensa de tal manera que parece cúbica. Consulte la imagen 
La temperatura es la energía cinética media de las moléculas/partículas de un compuesto/sustancia. A temperaturas muy bajas, la energía cinética de las moléculas tiende a 0. Además, cuando un material se congela, la longitud de los enlaces intermoleculares entre 2 moléculas de agua disminuye, por lo que se condensa toda la molécula.
Espero que esto sea útil. Más información en Este sitio
Si tu pregunta se refería a la forma de un hielo más grande, creo que la forma del hielo también depende del recipiente en el que pongas el agua a congelar.
