L’aigua: font de vida i de sorpreses (II)

L’experiència ens diu que l’aigua líquida es transforma en aigua sòlida (gel) per sota de 0 ^oC a pressió atmosfèrica (uns 1.000 hPa; 1hPa=1mbar=100 Pa). Aquest gel posseeix simetria hexagonal, es coneix com la fase cristal·logràfica Ih i és el més comú a la Terra. A pressions més baixes (<600 hPa) el gel es forma directament a partir de la fase vapor (a aquestes pressions no hi ha condensació en forma d’aigua líquida) i a pressions molt per sobre dels 1.000 hPa la temperatura de transició líquid/sòlid augmenta amb la pressió de tal manera que es pot obtenir gel a temperatura ambient o per sobre.

El diagrama de fases del gel (en funció de la pressió i de la temperatura) és molt ric i complex. Es coneixen actualment 18 fases cristal·logràfiques del gel: Ih, Ic, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV, XVI i XVII. Cada fase cristal·logràfica té les seves característiques particulars, però totes tenen en comú que segueixen el model estructural de Bernal-Fowler: el patró tetraèdric imposat per l’enllaç del pont d’hidrogen que vàrem comentar al post anterior. En totes aquestes fases els oxígens estan fixes, però unes tenen els hidrògens deslocalitzats i d’altres també fixes. La fase Ic té estructura cúbica i la XI és anàloga a la fase Ih, però amb els dipols moleculars orientats. Les fases VII i X són exemples de gel a temperatura ambient (pressions per sobre de 2 GPa; 1GPa=10⁹ Pa).

Tornem al gel Ih i destaquem algunes de les seves propietats:

1. És transparent a la llum visible. El color blanc que associem al gel ve donat per la dispersió de la llum solar (blanca) causada per cristalls de dimensions micromètriques. Aquest fenòmen explica també per què els núvols són blancs, però en aquest cas, formats per gotes micromètriques. Tot això és molt important per fer de la Terra un entorn habitable, ja que el gel i els núvols reflecteixen la llum solar de manera molt eficient (en el cas del gel més del 75%). El percentatge de radiació solar reflectida es coneix amb el terme albedo.
2. La densitat del gel és inferior a la de l’aigua líquida. Això implica que l’aigua s’expandeix quan se solidifica. De fet és l’únic compost amb aquesta propietat. Tots els líquids es contreuen quan se solidifiquen, excepte l’aigua, fet que també es pot explicar amb el model de Bernal-Fowler. Una conseqüència domèstica és que les ampolles de vidre plenes d’aigua es trenquen dintre del congelador per l’expansió del gel.
3. A temperatures per sobre d’uns -20 ^oC (i sempre a pressió atmosfèrica) la superfície del gel està coberta per una pel·lícula molt prima d’aigua líquida. És a dir, que existeix l’aigua líquida per sota de 0 ^oC, aigua que s’anomena sobrerefredada (supercooled water). La reducció de la fricció que fa que es pugui lliscar sobre gel és conseqüència d’aquesta capa d’aigua i no de la fase sòlida. Trobem també aigua sobrerefredada a les capes altes de l’atmosfera (troposfera) on gotes d’aigua segueixen en l’estat líquid fins a aproximadament uns -40 ^oC.