miniatura|Glaçons dins d'un got de vidre. El glaç, o gel, és l'estat sòlid de l'aigua (H₂O), el qual es forma quan aquest es troba en una temperatura inferior a 0 °C (273,15 K), que és el seu punt de congelació. El glaç també és considerat un mineral. Quant al seu nom, Pompeu Fabra proposava una redistribució semàntica, gel, quan és artificial, i glaç, quan és natural.Riba i Arderiu O. Diccionari De Geologia. Barcelona: Institut d'Estudis Catalans : Fundació puntCAT; 2008. El mot «glaç» prové del llatí glacies, amb el mateix significat, i «gel» del llatí gĕlu, també amb el mateix significat.
Estat natural miniatura|Iceberg prop de les costes de Groenlàndia. El glaç s'observa a les terres i les aigües superficials de la Terra en diverses formes. Destaquen sobretot les glaceres continentals (lloses de glaç) que cobreixen gran part de l'Antàrtida i Groenlàndia. Masses més petites de glaç perenne, anomenades casquets glacials, ocupen parts del Canadà àrtic i altres regions d'alta latitud, mentre que les glaceres de muntanya es troben en àrees més restringides, com valls de muntanyes i terres planes. Altres manifestacions del glaç a la terra inclouen els diferents tipus de glaç de terra associats a la permagel, és a dir, el sòl permanentment congelat comú a les regions molt fredes.
A les aigües oceàniques de les regions polars, els icebergs es formen quan grans masses de glaç es trenquen de les glaceres, o plataformes de glaç, i es desplacen. La congelació de l'aigua de mar en aquestes regions dona lloc a la formació de làmines de glaç marí conegudes com a glaç compacte. Durant els mesos d'hivern, cossos similars de glaç es formen en llacs i rius de moltes parts del món.
Estructura La molècula d'aigua Geometria de la molècula d'aigua
El glaç és l'estat sòlid de l'aigua, una substància normalment líquida que es congela a temperatures de 0 °C o menys i es converteix en estat gasós a temperatures de 100 °C o més. L'aigua és una substància extraordinària, anòmala en quasi totes les seves propietats físiques i químiques i, sens dubte, la més complexa de totes les substàncies familiars que són compostos químics únics. Està formada per dos àtoms d'hidrogen H i un àtom d'oxigen O, amb la fórmula química H2O. Aquests tres àtoms estan enllaçats mitjançant enllaç covalent i formen una estructura específica, amb l'àtom d'oxigen situat entre els dos àtoms d'hidrogen. No obstant això, els tres àtoms no estan alineats en línia recta. En canvi, els àtoms d'hidrogen es dobleguen cap a l'un a l'altre, formant un angle d'aproximadament 105° i amb una longitud d'enllaç de 95,7 pm.miniatura|Molècules d'aigua enllaçades per enllaç per pont d'hidrogen, representat en línies discontínues.L'estructura tridimensional de la molècula d'aigua és deguda al fet que l'àtom d'oxigen empra per formar els enllaços orbitals híbrids sp3, que estan orientats cap als vèrtexs d'un tetraedre, i separats 109,5°. Dos d'aquests orbitals tenen dos electrons i, segons la teoria d'enllaç de valència, no formen enllaços. Els altres dos orbitals sp3 tenen un electró cadascun i poden formar enllaços superposant-se amb d'altres orbitals d'un altre àtom amb també un electró. És el cas de l'enllaç amb els hidrògens, que fan ús dels seus orbitals atòmics 1s. Els dos orbitals sp3 que no formen enllaç per tenir ja dos electrons són claus en el comportament peculiar de l'aigua. El seu volum fa allunyar un poc els orbitals enllaçants i l'angle es contreu de 109,5° a 104,5°. També la seva alta densitat de càrrega negativa atreu els nuclis d'hidrogen, amb densitat electrònica positiva, de les molècules d'aigua adjacents per formar el que es coneix com a enllaços per pont d'hidrogen, les forces intermoleculars més intenses. Aquests enllaços no són especialment forts, però, com que orienten les molècules d'aigua en una configuració específica, afecten significativament les propietats de l'aigua en els seus estats sòlid, líquid i gasós.
En l'estat líquid, la majoria de les molècules d'aigua estan associades en una estructura polimèrica, és a dir, cadenes de molècules connectades per enllaços per pont d'hidrogen febles. Sota la influència de l'agitació tèrmica, hi ha una ruptura i una reformació constant d'aquests enllaços. En l'estat gasós, vapor d'aigua, les molècules d'aigua són en gran part independents les unes de les altres, i, llevat de les col·lisions, les interaccions entre elles són lleus. L'aigua gasosa, doncs, és en gran manera monomèrica, és a dir, formada per molècules individuals, tot i que ocasionalment es produeixen dímers (una unió de dues molècules) i fins i tot alguns trímers (una combinació de tres molècules). En l'estat sòlid, a l'altre extrem, les molècules d'aigua interaccionen entre elles prou fortament per a formar una estructura cristal·lina ordenada.
El cristall natural de glaç Estructura cristal·lina del glaç
Cada molècula d'aigua al glaç està enllaçada per quatre enllaços per pont d'hidrogen en les direccions dels vèrtexs d'un tetraedre a altres quatre molècules. Els dos hidrògens s'uneixen per enllaços per pont d'hidrogen a dos oxígens de molècules d'aigua veïnes, i l'oxigen s'enllaça amb els seus dos parells d'electrons no enllaçants a dos hidrògens d'altres dues molècules. A pressió atmosfèrica estàndard i a temperatures properes als 0 °C, el cristall de glaç pren la forma de làmines superposades o plans d'àtoms d'oxigen units en una sèrie d'anells hexagonals. Tanmateix, els sis oxígens no estan exactament en el mateix pla, ja que l'anell té conformació de cadira, com la del ciclohexà. Es podria dir que són plans lleugerament rugosos. L'eix paral·lel als anells hexagonals s'anomena eix c i coincideix amb l'eix òptic de l'estructura cristal·lina. Aquesta estructura s'anomena ( perquè fou la primera estructura del glaç descoberta i perquè és una estructura hexagonal). El grup espacial de l'estructura és P6₃/mmc; la simetria D6h, i la classe de simetria de Laue 6/mmm. miniatura|Estructura del glaç amb l'eix c vertical. Els plans d'hexàgons estan disposats horitzontalment i els enllaços per pont d'hidrogen estan representats per línies grises. Aquesta estructura cristal·lina presenta una lleugera desviació de la simetria hexagonal ideal. La cel·la unitària és un 0,3 % més curta en la direcció c (en la direcció dels enllaços per pont d'hidrogen). Això dona lloc a una menor compressibilitat en la direcció c. Les constant de la xarxa a –20 °C són a = 0,4519 nm (l'espaiat de la xarxa lateral) i c = 0,7357 nm (l'espaiat entre capes és la meitat 0,36780 nm); amb una distància mitjana més propera O···O de 0,276 nm, amb distàncies de enllaços H···O i O-H de 0,175 nm (enllaç per pont d'hidrogen) i 0,101 nm (enllaç covalent). El nombre de molècules d'aigua en la cel·la unitat és de 12.miniatura|Estructura desordenada de l'aigua líquida a l'esquerra i ordenada del glaç a la dreta, menys compacta.La densitat del glaç (916,68 kg/m³ a 0 °C) és menor que la de l'aigua a la mateixa temperatura (1 000 kg/m³) degut a l'espai buit que queda entre capes a causa de la llargària dels enllaços per pont d'hidrogen. A mesura que l'aigua s'escalfa des del punt de fusió de 0 °C a 4 °C, es contrau i es torna més densa. Aquest augment inicial de densitat té lloc perquè a 0 °C una part de l'aigua consisteix en estructures moleculars obertes similars a les de cristalls de gel. A mesura que la temperatura augmenta, aquestes estructures es descomponen i redueixen el seu volum al de les estructures polimèriques més estretament empaquetades de l'estat líquid. Amb un escalfament posterior més enllà dels 4 °C, l'aigua comença a expandir-se en volum, juntament amb l'augment habitual de les vibracions intermoleculars causades per l'energia tèrmica. Per aquesta raó, l'aigua és una de les poques substàncies que en realitat té una densitat menor en forma sòlida que en estat líquid, passant de 1 000 kg/m³ a 917 kg/m³. Per això el glaç flota en lloc de submergir-se, de manera que, durant l'hivern, es desenvolupa com una capa a la superfície dels llacs i rius en lloc de submergir-se sota la superfície i acumular-se en el fons.
Altres estructures del glaç A temperatures més baixes o a pressions molt elevades el glaç presenta moltes altres estructures cristal·lines. Aquestes estructures s'han descobert experimentalment al laboratori, però fora de la Terra, en altres planetes o en satèl·lits en els quals les condicions de pressió i de temperatura són diferents, el glaç pot adoptar algunes d'aquestes estructures que són més compactes:
Glaç lc (baixa temperatura, cúbica centrada les cares, ρ ≈ 0,9 kg/m³). Hom el troba a baixes temperatures, per sota dels −80 °C i a pressió atmosfèrica. És metaestable. Glaç II (baixa temperatura, sistema cristal·lí ortoròmbic centrat, ρ ≈ 1,16 kg/m³). Sembla que pot formar una proporció significativa del glaç de les llunes gelades de Júpiter, com ara Ganimedes. La seva cel·la unitat pertany al grup espacial R. El glaç II pot existir meta-establement per sota d'uns 100 K entre la pressió normal i uns 5 GPa. A pressió normal, es transforma de manera irreversible en glaç Ic per sobre de 160 K. miniatura|330x330px|Diagrama de fases de l'aigua. Glaç III (baixa temperatura, sistema cristal·lí tetragonal). Existeix entre –24 °C i –44 °C i entre 240 MPa i 340 MPa. L'estructura correspon al grup espacial P41212; simetria 4/mmm. Conté anells de cinc membres units com a biciclo-heptàmers i té una densitat d'1,16 kg/m³ a 350 MPa. Els enllaços per pont d'hidrogen estan desordenats i canvia contínuament. El cristall tetragonal és pseudocúbic amb una cel·la unitària de dimensions de 0,667 pm (a) i 0,694 pm (c; 90°, 90°, 90°; a 250 K i 280 MPa) i conté 12 molècules d'aigua. Glaç V (alta pressió, baixa temperatura, sistema cristal·lí monoclínic centrat, ρ ≈ 1,2 kg/m³). Es forma a partir d'aigua líquida a 500 MPa baixant la temperatura a –20 °C. La seva cel·la unitat correspon al grup espacial C2/c, simetria 2/m, i conté anells de quatre, cinc, sis i vuit membres (és a dir, la subestructura oposada en té dos de cadascun) i grups de set molècules en quatre llocs de gelosia diferents (tres formats per dues molècules i una de una sola molècula) amb cadascuna experimentant un entorn molecular diferent. Glaç VI (alta pressió, baixa temperatura, sistema cristal·lí tetragonal, ρ ≈ 1,3). El glaç VI es forma a partir d'aigua líquida a 1,1 GPa baixant la seva temperatura a −3 °C. La seva cel·la unitat forma cristalls tetragonals (P4₂/nmc; simetria 4/mmm). miniatura|Estructura cristal·lina del glaç VIII. En blau els oxígens i en vermell els hidrògens.Glaç VII (alta temperatura, alta pressió, sistema cúbic simple). El glaç VII es forma a partir d'aigua líquida per sobre de 3 GPa a la temperatura ambient. El glaç VII s'ha trobat en inclusions de diamants, al mantell terrestre, i als planetes del sistema solar i als satèl·lits gelats. Es pot considerar la fase més estable ja que existeix en un ampli interval de temperatures i pressions. La seva cel·la unitat forma un cristall cúbic (Pnm; simetria mm) consta de dues retícules de glaç cúbics interpenetrades amb enllaços per pont d'hidrogen que passen pel centre dels hexàmers d'aigua i sense enllaços per pont d'hidrogen entre retícules. Té una densitat d'uns 1,65 kg/m³ (a 2,5 GPa i 25 °C). El cristall cúbic té unes dimensions de 0,335 pm (a, b, c, 90°, 90°, 90°; a 2,6 GPa i 22 °C) i conté dues molècules d'aigua.