Física del agua

Estado de la materia. Estructura microscópica. Moléculas. Hielo

  • Enviado por: Badtz maru
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El Agua

El agua es un cuerpo formado por la combinación de un volumen de oxígeno y dos de hidrógeno, líquido inodoro e insípido; en pequeña cantidad incoloro y verdoso en grandes masas, que refracta la luz, disuelve muchas sustancias, se solidifica por el frío, se evapora por el calor y, mas o menos puro, forma la lluvia, las fuentes, los ríos y los mares.

Tales de Mileto, el filósofo griego del siglo V a.c., afirmó que el agua era la sustancia original, de la cual todas las demás (tierra, aire y fuego) estaban formadas. La consideración de Tales lleva mucha verdad en el sentido de que en todo hay agua; de hecho, Isaac Newton, en el siglo XVII, escribió su tratado De Natura Acidorum, en donde sostenía que todo cuerpo podría ser reducido a agua.

En el agua se originó la vida y de ella sigue dependiendo. Esto, por cierto, sucede porque el agua es una sustancia completamente fuera de lo común: es líquida en condiciones normales, cuando “debería” ser gaseosa, y su forma sólida flota sobre su forma líquida, cuando “debería” ser al revés; su forma líquida semeja más un sólido que un líquido ordinario. Cuando se congela se forma el hielo, o mejor dicho, alguno de los hielos, pues hay nueve distintos.

El 71% de la superficie de nuestro planeta está cubierto por ella; millones de toneladas, en forma de vapor, flotan en la atmósfera y sin embargo grandes regiones terrestres carecen de ella.

El agua existe en nuestro mundo en tres formas, sólida, líquida y gaseosa. Un elemento tan importante para la vida merece un nombre para cada presentación: el sólido es el “hielo”; el líquido es “agua”, así, nada mas; y el gas es “vapor”, aunque las tres formas son químicamente la misma cosa.

Cuando llueve, el vapor se precipita en forma de líquido, y cuando graniza el líquido en su descenso a las condiciones de humedad y de temperatura del aire tales que el vapor se precipita como sólido, en un proceso que los físicos llaman sublimación. Cuando hace mucho calor el agua líquida se evapora. En la naturaleza este continuo cambio es llamado el ciclo hidrológico, al que seguiremos un poco mas tarde.

Al hervir el agua, la masa cristalina del agua empieza a enturbiarse, debido a que las capas inferiores al calentarse se deslizan hacia arriba y dejan caer a las superiores, que son mas frías y pesadas. El movimiento, de tipo circular, se llama convectivo y sucede también en la atmósfera; por el mismo motivo las luces distantes parecen parpadear.

Más tarde empiezan a formarse burbujas, producto del desprendimiento de los gases disueltos en el agua (principalmente aire). El proceso se conoce como desgastificación.

Ya a punto de entrar en ebullición se forman borbotones, combinación de uno y otro efecto, el agua se mueve verticalmente por el efecto del calentamiento, contiene gases disueltos, que son evidentes al desprenderse por causa del aumento de temperatura, y también contiene sales disueltas, que quedan en el líquido al hervir; el vapor está libre de ellas y es para obtener agua potable de la salada. La capacidad del agua para disolver y transportar sales es lo que hace indispensable para toda la vida; el contenido de sales, sin embargo, debe estar comprendido dentro de ciertos límites, pues si las tiene en exceso rompe el equilibrio celular y puede extraer las sales de las células y llegar a matarlas, paradójicamente deshidratándolas.

En las fase del hielo el líquido aumenta su volumen al congelarse. El aumento de volumen es tan grande, y la presión ejercida es tan grande, y la presión ejercida tan intensa que una botella cerrada dejada en el congelador puede estallar. Al aumentar el volumen del agua congelada su densidad disminuye y por eso el hielo flota. La presión ejercida por el hielo al expanderse puede romper un barco atrapado en los hielos del Ártico.

En el rehielo se toma un cubo de hielo y se coloca en la boca de una botella, por medio de un alambre delgado se suspenden los objetos pesados, como dos tuercas, colgando de uno y otro lado del cubo, la presión que ejerce el alambre sobre el hielo hará que este se hienda, para ir pasando a través, el hielo se congelará de nuevo de suerte que el alambre atravesará el cubo y éste al final quedará intacto. El alambre funde el hielo a su paso y como la temperatura se mantiene constante el líquido se vuelve a solidificar.

El agua tiene una curiosa estructura microscópica: a diferencia de un líquido normal, las moléculas poseen una particular tendencia a agruparse en una especie de “redes”. Se toma un vaso y se llena hasta el borde, cuidando de no derramar ni una gota. Con sumo cuidado dejemos caer clips en el seno del agua. La superficie empezará a crecer, rebasando el nivel de la boca sin derramarse mostrando cómo el agua se adhiere al vaso. La explicación es la fuerte cohesión de las moléculas del agua. Con agua caliente la cohesión molecular disminuye. Otra forma de siminuirla es por la adición de un detergente. La cohesión de las moléculas del agua actúa como fuerza sujetadora.

Aristóteles incluyó entre los cuatro elementos básicos, junto con la tierra, el aire y el fuego. Así como un elemento fue tratada hasta el siglo XVIII, cuando la tierra y el aire dejaron también de ser “elementos” y se reconoció que estaban compuestos de complejas mezclas de especies químicas, y que el fuego es una manifestación de la actividad química, no otro elemento. Antonio Lorenzo de Lavoisier en Francia y Enrique Cavendish en Inglaterra lograron descomponer el agua en sus dos componentes: “aire ordinario” (oxígeno) y “aire inflamable” (hidrógeno), estableciendo así los primeros pasos para su estudio científico.

La realidad física es que el agua es un líquido extremadamente complejo, tanto así que mucha de la dificultad para el estudio de las soluciones deriva que el disolvente más accesible es precisamente el agua, que lejos de ser un simple medio que pueda caracterizarse por una constante, interactúa tan fuertemente con los solutos que sus características deben necesariamente ser tomadas en cuenta.

El agua es demasiado “sólida”, para ser un líquido ordinario. En 1891, H. H. V. Vernon postuló que las moléculas de agua se adherían unas a otras, confiriendo al líquido altas densidades. Guillermo Roentgen, descubridor de los rayos X, investigó las propiedades del agua, y aventuró en 1892 explicaciones cualitativas basadas en suposiciones moleculares. En 1933 dos grandes investigadores de los líquidos, Juan Bernal y Roberto Fowler publicaron un interesante y hoy clásico artículo proponiendo el primer modelo plausible del agua líquida, en el que se sientan las bases de los modernos estudios sobre el tema. En 1940, N. E. Dorsey publicó una monografía intitulada Propiedades de la substancia agua ordinaria en la que describe los trabajos de los anteriores 50 años y registra todas las anomalías que exhibe esta líquido.

La década de los años cincuenta vio surgir en gran número de modelos fisicoquímicos; por fin en los setenta el estudio del agua empezó a ser una campo aparte: se reconocieron estructuras extrañas, como asociaciones de moléculas en cúmulos dentro del seno del líquido; se investigaron con mayor profundidad las fuerzas moleculares que generan los hidrógenos del agua y cómo afectan estas las propiedades observables.

En 1962, G. Nemethy y H. A. Scharega publicaron tres artículos en los que intentaron desarrollar un modelo basado en las consideraciones microscópicas de la mecánica estadística.

Por medio de complejos programas de cómputo basados en la mecánica cuántica, llamados métodos ab initio (de principio), se han estudiado las interacciones entre las moléculas de agua, investigando pares y tríos de moléculas.

A la mitad de la década de los sesenta el profesor B. V. Deryagin, del Instituto Karpof de Fisicoquímica de Moscú, sorprendió a la comunidad científica al publicar en hallazgo de una nueva y extraña forma de agua que fue dada a llamar poliagua. Esta variedad se suponía que llegaba a tener hasta 40% mas densidad que el agua ordinaria y que congelaba a -40° C y seguía estable a los 500°. El descubrimiento fue recibido con escepticismo, pero la “comprobación” por instituciones en EUA desató gran entusiasmo por este compuesto, pues al permanecer líquida a altas temperaturas la haría un magnífico lubricante; además, por su alta densidad podría servir como moderador en reactores nucleares.

El agua disuelve una gran variedad de sólidos, pero no reacciona químicamente con ellos; por eso pueden purificarse las aguas contaminadas, aunque a expensas de mucha energía.

En efecto, el ácido sulfhídrico es perfectamente “normal” desde todos los mismos puntos de vista por los que llamamos “anormal” al agua: es gas a temperatura ambiente, su forma sólida es mas densa que su forma líquida y el líquido posee muy poca estructura.

Hay dos grandes caminos para investigar la materia: la teoría microscópica y la teoría macroscópica, llamada también fenomenológica. La teoría microscópica da alguna explicación sobre el comportamiento de la materia, pero requiere de conceptos y matemáticas complicadas. La termodinámica macroscópica ayuda mucho, pero aunque muy elegante no permite realizar cálculos detallados, así que para entender las propiedades de un sistema bajo estudio hay que echar mano de una y de otra.

La investigación sobre la naturaleza molecular ha mostrado que una de las principales claves, quizás la mas importante, es la ligadura de hidrógeno.

El agua está formada por tres átomos, dos de hidrógeno (el elemento más ligero) y uno de oxígeno, dispuestos en un ángulo de 105 grados, con el oxígeno en el vértice; el ángulo no varía, ya esté la molécula formando parte de un sólido, un líquido o un gas. La distancia entre el átomo de oxígeno y uno de los de hidrógeno es de 0.96 angstrom (1 angstrom es igual a un cien millonésimo de centímetro).

Los átomos están formados por un núcleo que lleva prácticamente toda la mas del átomo y posee una carga eléctrica positiva y está rodeado por una nube de electrones de carga negativa. Para asociarse, los átomos forman o ceden electrones hasta que adquieren la configuración más estable.

El hidrógeno es el elemento más ligero: se halla formado por una sola partícula en el centro (un protón) y un electrón que lo rodea, así que al unirse el oxígeno a los hidrógenos pasan dos cosas: los electrones forman una nube alrededor de los tres núcleos, uniéndolos, pero los dos núcleos de hidrógeno se repelen. El resultado es que se forma el ángulo referido de 105° con el cual la molécula completa alcanza la máxima estabilidad.

Las nubes electrónicas atraen a lo átomos de hidrógeno de otra molécula de agua y dan lugar a lo que se conoce como una ligadura de hidrógeno.

No es el agua la única molécula que tiene ligaduras de hidrógeno: el amoniaco, el ácido fluorhídrico y los alcoholes también la tienen. Lo que parece ser único en la estructura del agua es que las moléculas fácilmente se aglomeran en redes tridimensionales, con muchos huecos, cuya geometría depende del ángulo que forman los tres átomos componentes. Esto le confiere gran cohesión.

Al congelase, las moléculas de agua forman rápidamente estructuras ordenadas. A la presión atmosférica ordinaria, cuatro moléculas se asocian en la forma de una tetraedro, las que a su vez conforman una estructura de anillos hexagonales.

Ésta, por cierto, es una estructura muy poco empacada (con muchos huecos); es por ello que el agua sólida es menos densa que el agua líquida y por eso el hielo flota en el agua ordinaria.

A 4° C muy cerca del punto de congelación, la densidad del agua alcanza su máximo valor. Con el tiempo cada vez menos agua fluiría hacia los climas templados e iriía perdiendo calor. Al fin todos los mares se convertirían en hielo.

La expansión del agua al congelarse tiene otro papel muy interesante en la naturaleza. En su forma líquida, penetra en los pequeños insterticios de las rocas. Cuando se congela ejerce presiones tan altas que llega a fracturar las rocas, y de esta manera las convierte en tierra.

En su fase líquida, la tenaz interacción entre las ligaduras de los hidrógenos hace que se preserve un poco de la estructura del sólido; a ello me refería con la idea del “orden colectivo”. Siendo así, “romper” la superficie del líquido es difícil, como cualquiera que haya caído en una alberca podrá haberse dado cuenta: ésta es una manifestación de la tensión superficial.

La estructura del agua líquida es tan extremadamente ordenada que la energía que se le suministra al calentarla se “absorbe” por las vibraciones moleculares, aceptando grandes cantidades de calor antes de elevar su temperatura (que representa el movimiento molecular). Inversamente, al perder energía su temperatura disminuye lentamente. Esta propiedad se llama calor latente, que para el agua es muy grande. Las implicaciones de este hecho son muchas y muy importantes.

Para disparar la gran cantidad de calor que genera el motor de un auto se utiliza agua que circula por unos conductos dentro de él. El calor se transmite al agua y es después liberado en el radiador, que está construido de tal manera que el agua lo ceda rápidamente.

La enorme capacidad del agua para transportar calor puede exhibirse mediante un cálculo sencillo: si un km cúbico de agua en un océano fluye de una región caliente a otra muy distante que se halla a 20° C más fría, la transferencia de calor es diez billones de kilocalorías, que es equivalente al calor generado por la combustión de 2 millones de toneladas de carbón.

José Black fue un científico británico del Siglo XVIII, el primero que se detuvo con gran cuidado a meditar acerca de esta importante propiedad; la llamó “calor latente”. Analizó como en el verano puede guardarse un cubo de hielo en “las estructuras denominadas casas de hielo” en donde se impide la entrada del aire exterior y por consiguiente el calor penetra con lentitud. La clave, pues, está en que el hielo tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de calor y que este pasa a las vibraciones moleculares; al derretirse al fin el hielo va a la fase líquida, pero con una temperatura cercana (aunque un poco mas alta) a la del hielo. Black, en lenguaje claro e intuitivo lo resume:

Salta a la vista, pues, que el hielo, al derretirse, recibe calor con mucha celeridad; pero el único efecto de dicho calor es mudarlo en agua, la cual no es sensiblemente mas caliente de lo que era el hielo antes. Si, en seguida de derretido el hielo, se aplica en termómetro a las gotas o chorritos de agua; ésta marcará la misma temperatura que cuando se aplica al hielo mismo, o de haber alguna diferencia, ella es de tan poca monta que no merece notarse.

El hielo normal denominado Ih, tiene una estructura hexagonal, y de él hay una variedad que se llama hielo cúbico o Ic que es una especie metaestable que ocurre entre los -180 y 120° C.

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