Normalmente, los sustancias en estado sólido tienen más densidad que en estado líquido. Pero hay excepciones. Una de las sustancias más conocidas que tiene esta propiedad es el agua, y tal propiedad es determinante para explicar algunos fenómenos tan importantes como que el hielo flote en el agua líquida. Este hecho tiene importantes consecuencias para la vida en la Tierra. Por ejemplo, cuando un lago o un río se congela, el hielo se forma en la superficie, aislando el agua líquida de abajo y permitiendo que la vida acuática sobreviva en temperaturas frías.
Pero hay otras sustancias moleculares que también muestran este comportamiento por las mismas razones que el agua: se forman estructuras cristalinas abiertas en la fase sólida, similares a la red de enlaces de hidrógeno en el hielo.
Así sucede en el amoniaco (NH3) y en el fluoruro de hidrógeno (HF). En estas sustancias, los enlaces de hidrógeno entre las moléculas forman una estructura cristalina abierta, lo que resulta en un empaquetamiento menos eficiente de las moléculas. Esto da lugar a una densidad más baja en la fase sólida.
También sucede en otras sustancias como el acetato de bario, cuyo líquido es más denso que el sólido en ciertas condiciones. Este compuesto, en su forma hidratada, forma una estructura cristalina que incluye agua en su red, lo que da como resultado una estructura más abierta y, por lo tanto, menos densa.
También bajo ciertas condiciones, el glicerol puede formar sólidos con densidades menores que la de la fase líquida. La red de enlaces de hidrógeno y la disposición de las moléculas en la fase sólida puede resultar en una estructura menos compacta en comparación con la de la fase líquida.
Elementos químicos
Hay varios elementos químicos que experimentan el mismo fenómeno.
Galio (Ga)
El galio sólido forma una estructura ortorrómbica en la que las moléculas no están empaquetadas de manera compacta. En esta estructura, los átomos de galio se agrupan en pares (dímeros) con un enlace covalente relativamente fuerte dentro de cada par, pero con interacciones más débiles entre los pares. Esto deja espacios vacíos en la red cristalina, lo que disminuye la densidad del galio sólido. Cuando el galio se funde, estos dímeros se rompen, lo que permite un empaquetamiento más eficiente de los átomos en la fase líquida. Como resultado, el líquido es más denso que el sólido. Debido a esta estructura menos densa, el galio sólido flota sobre su forma líquida.
Silicio (Si)
El silicio sólido es menos denso que su forma líquida porque cristaliza en una estructura similar a la del carbono en su forma de diamante. En esta estructura, cada átomo de silicio está unido a cuatro átomos vecinos en una disposición tetraédrica. Este arreglo deja mucho espacio vacío en la red cristalina, lo que disminuye la densidad del sólido en comparación con la del líquido.
Germanio (Ge)
El germanio también cristaliza en una estructura de tipo diamante. La estructura tetraédrica genera una red cristalina abierta que reduce la densidad del sólido en comparación con el líquido.
Bismuto (Bi)
La estructura cristalina del bismuto tiene una disposición complicada que resulta en un empaquetamiento menos eficiente de los átomos. Esto crea espacios vacíos en la estructura sólida, haciendo que sea menos densa que la fase líquida.
Antimonio (Sb)
El antimonio también exhibe una densidad del sólido menor que la del líquido. Análogamente al bismuto, el antimonio tiene una estructura cristalina en la que los átomos no están tan compactos como en la fase líquida, lo que reduce la densidad del sólido.
En todos estos casos, la razón detrás de la menor densidad en la fase sólida en comparación con la fase líquida se relaciona con la estructura cristalina del sólido. Los átomos en estos sólidos se organizan en patrones que dejan espacios vacíos o forman redes abiertas, lo que resulta en un menor empaquetamiento de átomos y, por lo tanto, en una menor densidad.
Este comportamiento es contrario al de la mayoría de las sustancias, en las que el sólido es más denso debido a un empaquetamiento más eficiente de los átomos en la estructura cristalina. Es un recordatorio de cómo las propiedades macroscópicas de los materiales pueden estar profundamente influenciadas por su estructura atómica y molecular.
