¿Por qué algunas cosas cristalizan? (Y otros no, para el caso).

El estado cristalino es casi siempre la configuración de energía más baja para cualquier sólido) digo casi para cubrir mi espalda, pero no puedo pensar en un solo sólido donde este no sea el caso) así que en cualquier transición de líquido a sólido el sólido formar un cristal si puede.

Los líquidos no tienen un orden de largo alcance, por lo que a medida que el material se congela, las partículas que lo componen (átomos, iones, moléculas, etc.) deben poder reorganizarse en las configuraciones requeridas para la estructura cristalina. Esto no sucede instantáneamente, sino que lleva un tiempo relacionado con la velocidad de difusión de las partículas componentes en la masa fundida. Como regla general, si la congelación es lenta en comparación con la escala de tiempo de difusión, se formará un cristal, mientras que la congelación es rápida en comparación con la escala de tiempo de difusión, se formará un sólido amorfo.

Si toma un metal como el bismuto, la masa fundida contiene átomos de bismuto individuales que se difunden rápidamente. Esto significa que el bismuto (y la mayoría de los metales) forman cristales al congelarse. Es posible hacer metales amorfos , pero requiere un enfriamiento extremadamente rápido de la masa fundida. Incluso entonces, la última vez que miré (esta no es mi área) los metales amorfos eran en realidad cristalinos pero con un tamaño de grano muy pequeño.

Por otro lado, si toma un polímero como la dimeticona, las moléculas son enormes y se difunden muy lentamente. Esto significa que es imposible formar un cristal de dimeticona congelando la masa fundida.

El sólido amorfo más conocido es el vidrio, y dado que está compuesto de SiO$_2$moléculas, podría preguntarse por qué forma un sólido amorfo al congelarse. La respuesta es que en la fusión, las moléculas de dióxido de silicio se unen para formar largas cadenas, por lo que es efectivamente un polímero como la dimeticona. En realidad, es posible formar cristales de vidrio al congelarse, pero debe mantener la fusión en el punto de congelación durante un tiempo prolongado.

Finalmente, menciona la congelación del agua. El agua contiene H$_2$O moléculas que son pequeñas y se difunden rápidamente, por lo que cabría esperar que formaran un sólido cristalino, lo que ocurre en la mayoría de los casos. Sin embargo, el enfriamiento rápido puede crear hielo amorfo .

Puedo tratar de responder a su primera pregunta. El agua forma hielo porque la molécula de agua experimenta un dipolo eléctrico (la molécula de agua es polar ). Esta polaridad es el resultado del ángulo de enlace entre el átomo de oxígeno y cada átomo de hidrógeno, y el hecho de que el oxígeno tiene una atracción más fuerte hacia los electrones cargados negativamente. Este momento dipolar permanente le da a la molécula regiones de carga positiva y regiones de carga negativa. Cuando el agua alcanza su punto de congelación, las moléculas tienen menos energía vibratoria y se mueven mucho menos unas con respecto a otras. Las moléculas de agua se congelan y cada molécula ocupa un lugar único e inmóvil en una red. Debido a la polaridad, las moléculas de agua se organizan en una red similar a la de un compuesto iónico sólido, como la sal.

Buena explicación de la polaridad del agua (y un buen sitio en general para la física y la química de la preparatoria o la universidad) -- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/diph2o.html

Aquí hay una imagen de caricatura de learnbiochemistry.wordpress.com que representa la red cristalina formada por agua en fase sólida. Los oxígenos (negativos) están orientados hacia los hidrógenos (positivos).