74,963 Tipos de Hielo

El hielo no es tan simple como parece, con al menos 20 formas conocidas y potencialmente miles más. El tipo más familiar es el hielo Ih, que tiene una estructura molecular hexagonal y se encuentra en la biosfera. Otras formas de hielo, como el hielo III, V, VI y VII, se pueden encontrar en condiciones extremas en lunas heladas en nuestro sistema solar, o incluso atrapados en diamantes en lo profundo de la corteza terrestre. El hielo puede ser desordenado en hidrógeno o estar en orden, dependiendo de la orientación de las moléculas de agua dentro del cristal de hielo. Con más tipos de hielo que se descubren, como el hielo XIX y el hielo XX, nuestra comprensión del hielo y sus diversas estructuras sigue evolucionando.

El hielo es una sustancia compleja con al menos 20 formas conocidas y posiblemente miles más. Se encuentra en diversos entornos, desde lunas heladas hasta la corteza terrestre, y puede ser desordenado en hidrógeno o estar en orden. A medida que se descubren nuevas formas como el hielo XIX y el hielo XX, nuestra comprensión del hielo continúa creciendo.

Hay entre 20 y 74,963 formas de hielo porque el agua puede hacer todo tipo de cosas extrañas cuando se congela. Hasta ahora, los científicos han determinado experimentalmente las estructuras cristalinas para 19 tipos de hielo. O tal vez 20, dependiendo de a quién se le pregunte. En este video, vamos a repasar tantos como podamos en unos 10 minutos.

Transcripción del video:

Sólo quiero hablar de hielo.

Las extrañas propiedades del agua, gracias a nuestros queridos enlaces de hidrógeno que hacen que el hielo sea menos denso que el agua líquida, son clave para la vida en la Tierra.

Pero el hielo en sí es bastante aburrido.

Tiene algunos hexágonos ordenados. Su configuración sólida es menos densa que la forma líquida, enfría bien nuestro té helado y forma algunos copos de nieve bonitos, pero eso es todo, ¿verdad?

No, estás equivocado. El hielo es fascinante.

Lo voy a demostrar.

El hielo es asombroso.

(música optimista)

Estamos hablando de hielo.

¿Es esta entrega demasiado extraña o no es lo suficientemente extraña? Nadie lo sabe.

No sólo es fascinante el hielo, sino que todo lo que acabo de mencionar está aquí mismo.

Es el hielo Ih, pero también hay todos estos otros tipos de hielo, más aquellos que ni siquiera se pueden representar aquí.

No sabemos cuántos tipos de hielo hay. Hasta ahora hemos encontrado alrededor de 20, pero podría haber hasta 74,963.

Así que está en algún lugar entre 20 y 74,963.

Cada tipo tiene su propia estructura y propiedades, y algunos de ellos se encuentran en diamantes o en lunas galileanas. Y vamos a hablar de todos ellos. O como los 20 más o menos que conocemos, quiero decir, no todos, 74,963.

Comencemos con el hielo que todos conocemos bastante bien, hielo I.

Si tomas agua líquida a presiones atmosféricas normales y la enfrías a cero grados Celsius, se alineará en estructuras hexagonales de cristal.

De hecho, el hielo se considera un mineral porque es un sólido de orden estructurado que se encuentra de forma natural.

Casi todo el hielo en la biosfera, que es la parte de la Tierra donde está toda la vida, es de este tipo de hielo hexagonal, también llamado hielo Ih.

Esa estructura molecular hexagonal es lo que ayuda a sembrar la estructura hexagonal de los copos de nieve. Pero también hay un poco de hielo cúbico I o hielo IC que, como su nombre lo indica, tiene una estructura cúbica.

Y esto se encuentra a temperaturas entre 130 y 220 Kelvin y podría ocurrir allá arriba, en nuestra atmósfera.

También hay probablemente un poco de hielo uno desordenado en apilamiento allí arriba, que es como un hielo metaestable que existe en algún lugar entre el hielo cúbico y el hexagonal. Y eso también ayuda a dar a los copos de nieve su simetría de tres lados.

Pero ¿qué sucede si sometes al hielo a todas las temperaturas y presiones para forzarlo a otras configuraciones?

Eso es lo que este diagrama representa. Esto es clave para todo lo que vamos a hablar. Así que echemos un vistazo más de cerca.

Lo que tenemos aquí son fases de hielo a diferentes temperaturas y presiones.

El eje X representa la presión de baja a alta y el eje Y representa la temperatura.

Aquí en naranja, tenemos hielo Ih a temperaturas y presiones ambientales normales.

Ahora, se pueden cambiar las fases de la mayoría de los materiales cambiando la temperatura o la presión bajo la que se encuentran. Y estamos muy familiarizados con esto, ¿verdad?

Así que cambiar la temperatura del agua puede cambiar su fase de sólido a líquido o gas. Y cambiar la presión también puede tener algún efecto, pero con el hielo, no se detiene en sólido.

Imagina la estructura cristalina hexagonal del hielo Ih. Si sometes eso a temperaturas mucho, mucho más frías o presiones mucho, mucho más altas, puedes deformarlo y cambiar esa estructura molecular en todas estas otras formas.

Así que ¿qué sucede si nos movemos a lo largo del eje de la presión y vemos el hielo a presiones más altas? Y debo mencionar que estas presiones son realmente, realmente altas. Estamos hablando de mega y gigapascales.

Un gigapasal es igual a mil millones de pascales.

Tu neumático de bicicleta podría tener alrededor de 500 pascales. Entonces esto es 2 millones de veces más presión que eso. Es mucha presión.

Y si aplicamos esa presión, comenzamos a entrar en cosas como el hielo III donde los enlaces de hidrógeno comienzan a doblarse y comprimirse, y luego llegamos al hielo V, que tiene anillos con más y menos moléculas de agua que nuestro hielo hexagonal.

Y luego, si seguimos agregando presión, llegamos al hielo VI y al hielo VII.

Ahora mira, los números solo indican el orden en que fueron descubiertos, no tienen nada que ver con su estructura real. Pero este primer grupo de hielos I, III, V, VI y VII probablemente se encuentran en lunas heladas de nuestro sistema solar. Lugares como la luna de Júpiter, Ganímedes.

En estas lunas, las capas de hielo podrían tener hasta mil kilómetros de grosor, lo que ejerce una enorme presión en las capas inferiores, formando estas otras fases de hielo.

Cuando se comprime el hielo de esta manera para dar diferentes fases, se llama transición impulsada por densidad.

Y sorprendentemente, esto también puede suceder aquí en la Tierra. Se han encontrado hielo VI y VII en inclusiones de diamante en lo profundo de la corteza terrestre.

Entonces puedes extraer un diamante y encontrar hielo VI y VII atrapado adentro.

Debido a esto, también se han designado como minerales. Pueden ser indicadores de agua en lo profundo del manto terrestre y es posible que puedan contribuir a la fricción entre placas terrestres que podrían provocar temblores de hielo. ¡Temblores de hielo!

Ahora, si nos enfocamos en la estructura del hielo VI, creo que este es realmente genial.

En realidad está compuesto por dos subredes que encajan una dentro de la otra, pero no están conectadas. No hay enlaces de hidrógeno entre ellos, así que simplemente se acomodan juntos. No están conectados, solo están pasando el rato.

Ahora, ¿qué pasa si vamos en la dirección opuesta en el gráfico y giramos la presión a negativa, básicamente estirando el hielo?

Bueno, lo que realmente podemos obtener son formas de hielo que son menos densas que el hielo I, cosas como el hielo XVI y XVII, estos son hidratos clatrato vacíos.

Los clatratos son estructuras de jaulas moleculares que a menudo encierran otra molécula. Así que básicamente son grandes estructuras de jaula vacías.

Típicamente, estos se fabrican en el laboratorio formando la estructura de la jaula alrededor de otra molécula, como neón, y luego succionando al vacío todas esas moléculas de la jaula.

Ahora, si dejas que la presión regrese a la presión ambiente, las estructuras típicamente se colapsarán de nuevo en hielo I a menos que mantengas la temperatura realmente, realmente baja.

¿Qué es esto? Es cero Kelvin, es muy bajo.

Ahora hay algo que aún no he mencionado sobre todos los hielos que hemos hablado hasta ahora. Son hielos desordenados por hidrógeno.

Esto significa que si nos acercamos a los enlaces tetraédricos que rodean una molécula de agua en el cristal de hielo, la molécula de agua central podría estar orientada en cualquier dirección. Y eso es confuso, así que hice un modelo, espera.

(pelotas chillando)

Hola, este es mi proyecto de arte. Y si pensamos en el química genética o en nuestro video sobre rarezas del agua, lo que estamos hablando aquí es en realidad cambiar el dipolo de hidrógeno o la separación y orientación de las cargas en la molécula de agua.

Entonces, recuerda, todo lo que nos importa es la orientación de esta molécula de agua central. Si te acercaras a un cristal de hielo, podría estar orientada así, o si las moléculas de agua que la rodean estuvieran en esta posición, todavía tendríamos estos cuatro enlaces, pero ahora el dipolo apunta en una dirección diferente.

Así que antes iba en esta dirección y ahora va en esta dirección, pero hay algunas fases de hielo que son hielos ordenados por hidrógeno. Esto significa que hay configuraciones favorecidas para el dipolo de hidrógeno en lugar de simplemente aleatorias.

Y a menudo los hielos desordenados y ordenados se pueden encontrar en pares. Así que si enfriaras muchos de los hielos de los que hablamos, podrías pasar por una transición impulsada por entropía donde al moverte de nuevo hacia abajo en esta figura y disminuir la temperatura, puedes encontrar que sus órdenes coinciden.

Por ejemplo, el hielo XV es una forma ordenada de hielo VI justo debajo.

Hay seis pares que conocemos hasta ahora. Para cada uno de estos pares, estás disminuyendo la temperatura y, por lo tanto, estás disminuyendo la entropía, por lo que estás obteniendo más orden.

Me encanta cuando las cosas tienen sentido como esto tenía sentido en mi cerebro cuando lo leí.

Una de las adiciones más nuevas a la lista es el hielo XIX. Primero se describió como una forma ordenada de hielo VI que solía llamarse hielo beta XV. Así que está justo allí.

Pero nuevos trabajos han demostrado que puede describirse mejor como una versión distorsionada de hielo VI y podría formarse a presiones más altas. Por lo que podría ir un poco más por aquí.

Hay controversia sobre dónde se encuentran algunos de estos límites de hielo. Y me encanta que la controversia signifique que está sucediendo ciencia.

But you can even look for structures that don’t fit on this graph.

We are talking about some really weird conditions.

So for example, if you take ice VII and you compress it to 50 to 300 gigapascals, you can get to ice X.

And ice X is strange because the water molecules aren’t even water molecules anymore because the hydrogen bonds become symmetrical between the oxygen that you cannot assign a hydrogen to a single oxygen anymore.

(Alex inhales deeply)

And if you heat it to over 2,500 Kelvin, it doesn’t melt. Instead it turns into ice XVIII, which undergoes super ionicity where the oxygen stay in a lot of structure and the hydrogens just kind of move around them.

Now this hydrogen mobility means that ice XVIII may be as conductive as some metals and it is possible that ice XVIII is hanging out in the center of really dense and hot planets like Uranus and Neptune.

And there’s also another super ionic form of ice described in October 2021 that is angling for the title of ice XX.

And look, we’ve been looking at most of these as like ball and stick models so far, but we can also look at them as 3D structures like this.

Here you can see that ice Ih and ice II both have what’s called these open channel structures. That’s really obvious there.

While in ice XVI, you can much better see those expanded clathrate cages that I talked about before.

Here, it is easier to see how pressure can really deform the structures to create things like ice V and VI and VII. They are clearly much more dense than ice I.

Additionally, this diagram only shows these stable forms of ice while there are also metastable phases like ice IV and ice XII.

Disordered forms of ice that only exist in small intermediate conditions, which is why they just don’t have a stable position here on our graph.

But there’s also amorphous ice.

Amorphous ice doesn’t have a long range order to its structure often because it has been cooled so quickly that there just wasn’t time for a lot of structure to form.

There’s no nice order like any of these that goes on forever. It’s just like water molecules randomly arranged kind of like liquid water, which is why it’s called amorphous ice.

It’s actually the dominant form of water in the universe, as far as we know. No one’s out here measuring every single chunk of ice.

But amorphous ice occurs on things like interstellar dust and in places like Saturn’s rings.

There is a lot of it out there.

So much in fact that it might just deserve a video of its own.

Let us know.

Do you wanna know about amorphous ice? I do.

So is that it? Do we just stop at 20-ish phases of ice and call it a day?

Absolutely not.

In fact, a recent computational study found the potential structures for 74,963 types of ice.

So no, science is not done with ice structures, but to name a structure to add to that Roman numeral list, you have to experimentally show the crystal structure.

And so for now, we’re still waiting on ice XXI.

But here, I think, our scientists disagree, so I’m also gonna do a take with ice XX.

And so for now, we’re still waiting on ice XX.