La magia de los diagramas de fases, o cómo puede haber hielo a más de 100ºC

Imagen | Almudena M. Castro

Realmente llamativo eso de que pueda existir hielo a más de 100ºC, ¿verdad? Probablemente sea conocido por muchos de vosotros un fenómeno llamado supercalentamiento y su opuesto el superenfriamiento, y quizá estéis pensando ya en ellos como posible explicación a un título tan sorprendente. Ya os adelanto que no es el caso. Aún así, para los que no conozcáis estos fenómenos vamos a comentarlos brevemente y ya de paso, comentar unas cuantas cosas más.

De forma llama y sencilla el supercalentamiento se produce cuando un líquido sobrepasa su temperatura de ebullición sin pasar a estado gaseoso; mientras que el superenfriamiento es lo mismo pero la fusión, es decir, un líquido sobrepasa su temperatura de fusión sin congelarse. ¿Os parece extraño? Pues realmente no lo es tanto. Seguro que alguna vez os ha pasado, y sino es a vosotros es a algún conocido, eso de que de repente un vaso de agua calentado en el microondas entre de forma violenta en erupción como si se tratar de un volcán. Antes de explicar el porqué ocurre esto vamos a tratar de explicar y entender algunos conceptos clave. Comencemos con el diagrama de fases.

Diagrama de fases

La imagen superior se trata de un diagrama de fases tipo para un material cualquiera. En él podemos ver como este material va transformándose entre sus distintas fases: sólido, líquido y gas, según van variando la presión y la temperatura. Si sois un poco curiosos ya habréis visto que existen dos puntos especiales: el punto triple y el punto crítico.

El punto triple es aquel en el que las tres fases conviven al mismo tiempo. Para el caso del agua, este punto se encuentra a 0,01ºC y 0,006 atmósferas; es decir, está prácticamente a 0ºC y a una presión unas 165 veces más pequeña que la atmosférica. Recordad que se define como 1 atmósfera una presión equivalente a la presión de la atmósfera terrestre a nivel del mar. Así pues, con las condiciones anteriores el agua líquida, el vapor de agua y el hielo se encuentran presentes en la muestra simultáneamente.

El otro punto especial es el punto crítico. Aquí se produce el final de la división entre líquido y gas y se pasa a tener un fluido supercrítico. Esto viene a ser que una vez superado este punto ya no tendremos ni un líquido ni gas, sino algo que es la “suma” de ambos, pues ambas fases conviven unidas y provocan que la muestra tenga unas propiedades físicas intermedias.

Para el caso del agua el punto crítico se encuentra a unos 374ºC y a unas 218 atmósferas de presión. ¿Dónde se dan estos fluidos supercríticos de forma natural? Pues en la Tierra tienen lugar en los volcanes submarinos, donde la presión supera las 300 atmósferas y la lava emerge a una temperatura superior a los 374ºC necesarios para tener un fluido supercrítico. Fuera de nuestro planeta es bastante común en planetas gaseosos gigantes, pero llamativamente también ocurre en nuestro vecino Venus. Allí, su atmósfera se encuentra en un estado de líquido supercrítico ya que tanto el dióxido de carbono como el metano, que suman casi el 100% del total, se encuentran en condiciones que superan ampliamente sus límites de temperatura y presión críticos. Esto quiere decir que realmente ¡la atmósfera de Venus no es gaseosa!

Tras este titular bomba, volvamos a un tema un poco más mundano: nuestra agua calentada en el microondas (o en cualquier otro sitio). Supongamos que tenemos el agua a temperatura ambiente y que estamos en el punto A del diagrama de fases que tenemos más arriba. Al calentarla en el microondas es posible que, si se cumplen una serie de condiciones, pasemos directamente al punto B, siguiendo la línea discontinua que los une (estamos a presión constante), sin que se produzca el cambio de fase; es decir, tengamos el agua líquida a una temperatura superior a la que se debería haberse comentado a vaporizar.

Por tanto, nuestro vaso con agua a esa temperatura no se encuentra en su estado de equilibrio termodinámico, sino que está en un estado que llamamos metaestable. Esto quiere decir que ante la más mínima perturbación el sistema va a saltar espontáneamente a su estado de equilibrio.

En nuestro caso esto implica que toda la energía calorífica que el agua líquida ha almacenado sin evaporarse se va a liberar rápidamente en cuanto metamos algo en el vaso, ya sea una cuchara o echemos azúcar. El resultado: crearemos un increíble, a la par que peligroso, géiser en nuestro vaso. ¿No os lo creéis? ¡Veamos cómo lo hacen los famosos Cazadores de mitos!

Ya hemos visto cómo funciona el supercalentamiento y hemos comentado que este fenómeno no permite que el hielo alcance 100ºC. De modo que, ¿qué permite que algo así pueda suceder? Echando un vistazo al diagrama de fases del agua podemos intuir fácilmente la respuesta a esta pregunta. Eso sí, se trata de algo extremadamente complicado de conseguir de forma experimental, aunque no imposible. La imagen inferior es el complejo diagrama de fases de nuestra querida H2O.

Diagrama de fases del agua

Lamento que la gráfica esté en inglés, pero no he encontrado nada mejor en castellano. Al igual que en el diagrama de fases anterior, el eje horizontal representa la temperatura y el vertical la presión. Os recomiendo que os fijéis solamente en las escalas unidades que aparecen en rojo ya que son las que aparecen en ºC y atmósferas que podemos manejar mejor. Recordad que 1 bar es aproximadamente 1 atmósfera.

Como podéis observar, en toda la zona azul correspondiente a la fase sólida (hielo) hay multitud de números romanos. Cada uno de ellos se corresponde con un hielo diferente. Actualmente conocemos 15 fases distintas, aunque algunas de ellas tienen varias configuraciones.

Este es el caso del hielo I, el que tenemos en nuestro planeta. Dependiendo de la temperatura a la que nos encontremos podemos tener hielo Ih o hielo Ic. El primero es el predominante, ya que la fase Ic es metaestable, aunque ambos pueden aparecer en la Tierra. La estructura cristalina del hielo Ih es hexagonal, y forman esos fantásticos cristales de hielo que vemos en fotos como la que acompaña a estas líneas. La única fase, además de la I, que aparece en nuestro planeta de forma natural es la XI y fue hallada en la Antártida en unos hielos que llegan a los miles de años de antigüedad.

El resto de fases se han estudiado en laboratorio bajo condiciones de bajas temperaturas y altas presiones. Sin embargo, a presiones superiores a las que forman el hielo X debemos recurrir a las simulaciones por ordenador. Es más, la fase hielo XI hexagonal que vemos en la parte superior de la gráfica únicamente se ha obtenido mediante simulaciones.

Resulta curioso destacar que a presiones mucho más altas, del orden de más de 10 millones de atmósferas, el estudio de las bandas electrónicas mediante simulaciones nos lleva al resultado de que el hielo de agua funcionaría como si fuera un metal.

Volviendo al tema que nos ocupa del hielo a más de 100ºC vemos en el diagrama de fases que único que existe es el hielo VII. Para ello tan solo tenemos que calentar agua por encima de 82ºC con una presión de algo más de 22 mil atmósferas. ¿Imposible? Pues si se ha estudiado en laboratorio imposible no es, aunque sí complicado y costoso.

Pero no perdáis la esperanza. En la Tierra estamos mal acostumbrados a encontrarnos con hielo I hexagonal, pero si salimos fuera de nuestro planeta esto se convierte casi en una excepción. Ahí fuera, el hielo suele ser amorfo, es decir no tiene estructura cristalina, pero existe la hipótesis de que en algunos exoplanetas acuosos, como pueden ser Gliese 436 b o GJ 1214 b, el suelo oceánico estaría formado por hielo VII. ¡Ahí tenéis vuestro hielo a más de 100ºC!

—————————- Nota: la imagen que encabeza este artículo fue realizada por Almudena M. Castro durante su expedición al Ártico y forma parte de una exposición que podrá visitarse en el Planetario de Pamplona hasta mediados de marzo. Os recomiendo que la visitéis si tenéis la oportunidad. Más información.

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