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Física. Termodinámica





El agua, una sustancia con propiedades únicas


El agua se considera como una sustancia con propiedades únicas, inusuales y no esperadas de una molécula tan sencilla. La densidad y la temperatura alrededor del punto de congelación del agua explican como el hielo aparece y desaparece.

El agua es una molécula dipolar formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos mediante sendos enlaces covalentes. Es el medio donde se disuelven casi todas las sustancias y se producen muchas reacciones químicas, debido a su polaridad y conductividad eléctrica, fundamentales para el metabolismo de los seres vivos. Es muy importante en la estabilización del clima dada la gran cantidad de calor que puede almacenar el agua del mar. Dependiendo de la temperatura y presión cambia muy fácilmente de estado, puede aparecer como un líquido que fluye, o un gas por la atmósfera o un sólido en un lago.

En algunas zonas de España las temperaturas negativas son habituales, sin embargo se observa que los lagos y ríos nunca se hielan del todo. En cuanto al mar nunca se congela en nuestras costas. Sus propiedades en las proximidades de la temperatura de cero grados explican algunas situaciones sorprendentes del agua.

Proceso de congelación

La congelación de un líquido puro se produce a una temperatura fija, cero grados para el agua bajo la presión de una atmósfera, que es la habitual en la Tierra. El proceso de congelación tiene una propiedad suplementaria que ilustra el comportamiento de una mezcla de hielo y agua, cuando hay una variación de calor en esa mezcla, su temperatura queda constante e igual a cero grados, variando la cantidad de hielo presente. Por el contrario, a otras temperaturas el agua se calienta al aportarle calor y se enfría cuando se retira calor. Si se aportan 4.2 kJ a un litro de agua, su temperatura se eleva un grado.

El hielo que se encuentra de forma natural es conocido como hielo I, con estructura hexagonal, sin embargo bajo condiciones de laboratorio se han logrado crear hasta otras 11 fases. Fuera de la Tierra el hielo puede existir amorfo, descubierto en 1935.

Es suficiente poner un cuerpo en contacto con hielo para mantener su temperatura a cero grados, cuando se quiere evitar que algo se hiele, se ponen grandes depósitos de agua, de forma que no se convierta en hielo todo su contenido, y la temperatura no descienda por debajo de los cero grados.

Para fundir un kilogramo de hielo son necesarios 334 kJ, (calor latente de fusión), una energía 80 veces superior a la necesaria para hacer pasar este mismo kilogramo (un litro) de agua de cero a un grado. Estas magnitudes explican el que la fusión de un cubo de hielo de tres centímetros de lado (unos 25 gramos), sea suficiente para bajar la temperatura de un vaso de un tercio de litro con bebida, de 20 a 12 grados. Sin embargo si se añaden 25 gramos de agua a cero grados al mismo vaso con bebida, la temperatura no desciende más que grado y medio.

Estructura del agua

El agua tiene uno de los mayores calores latentes conocidos. La causa se debe a su estructura, al formar el hielo las moléculas se ordenan muy regularmente mediante los denominados enlaces de hidrógeno, en continua redistribución. Estos enlaces explican no sólo el gran valor del calor latente del hielo, sino también su gran resistencia mecánica. Lo más sorprendente es que los enlaces de hidrógeno mantienen alejadas las moléculas de agua, de forma que en estado sólido el volumen es mayor, siendo la densidad inferior a la del agua, explicando por qué flota el hielo. Al fundir, sólo el 16% de los enlaces de hidrógeno se rompen y da lugar a que por encima de cero grados la densidad del agua crece con la temperatura al romperse más enlaces de hidrógeno. El fenómeno se produce hasta que la disminución del volumen debido a la agitación térmica contrarresta la densificación del agua debido a las roturas de enlaces, de forma que la máxima densidad del agua líquida se alcanza a los cuatro grados.

En 1930 el famoso químico Linus Pauling (1901-1993) dio origen a una controversia al afirmar que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua pueden verse afectados por los enlaces sigma dentro de las uniones covalentes de los átomos de agua, dando lugar a unas nubes de electrones indescirnibles.

Esta teoría no se pudo comprobar hasta que un grupo de investigadores de los Laboratorios Bell junto con investigadores europeos diseñaron un experimento clave. Trabajando con el “European Synchroton Radiation Facility (ESFR)” en Grenoble (Francia) estudiaron los patrones de dispersión cuando los fotones de rayos X rebotaban en los electrones de los enlaces de hidrógeno.

Las investigaciones confirmaron la propuesta de Pauling, lo cual permitió mejorar las teorías del agua y muchas referentes a estructuras biológicas, como el ADN que poseen enlaces de hidrógeno. Estos experimentos también fueron de utilidad en el estudio de semiconductores y superconductores.

Agua y vida

La naturaleza del agua presenta una dicotomía respecto a la vida, en estado líquido acoge a los seres vivos aunque sea bajo condiciones extremas. Sin embargo la rígida estructura del hielo no permite la vida al romper de forma irreversible las células orgánicas.

Los científicos han mostrado gran interés en descifrar el origen de la vida. Desde hace unos 13 años se ha detectado al presencia de material orgánico en las nubes interestelares y cometas. Incluso se ha propuesto la hipótesis de que hay una escarcha rica en agua helada en los lugares del espacio donde el polvo y gas se encuentran a una temperatura adecuada para condensarse en sólidos.

Hay quienes han lanzado una hipótesis bastante atrevida, la posibilidad de que la materia orgánica viajó dentro de hielo, llegando hasta la Tierra y siendo origen de la vida en nuestro planeta. El estudio del comportamiento del agua en las proximidades de la temperatura de cero grados kelvin (cero absoluto) ha mostrado que con unos pequeños cambios en la estructura del hielo, se originaron las primeras asociaciones de átomos de interés biológico. El hielo interestelar no muestra una estructura cristalina, es amorfo, como por ejemplo el vidrio de una botella obtenido mediante enfriamiento brusco.

Hielo en los lagos

Sin el máximo de densidad a cuatro grados el agua congelaría de una forma diferente. La superficie de agua de un lago se enfría cediendo su calor por conducción al aire del ambiente y por radiación. Este último proceso es eficaz por las noches sin nubes, pues la radiación térmica emitida por la Tierra y los lagos se pierde en el espacio. Por ejemplo, los procesos que suceden en un lago a 10 grados antes de que la temperatura exterior caiga bajo cero grados. Al primer frío, el agua de la superficie se enfría, su densidad aumenta a medida que se acerca la temperatura a cuatro grados. Más densa que el agua de las capas superiores, el agua superficial es arrastrada hacia el fondo y es reemplazada por el agua más caliente de la zona más profunda. Este proceso de convección iguala la temperatura del agua en todo el lago. De forma que mientras que la temperatura permanezca superior a los cuatro grados la masa entera del lago se enfría y el proceso tarda más tiempo cuanto más profundo es el lago. Esto explica la causa de que los charcos de agua se hielen antes que aparezca el hielo en las lagunas.

Cuando la temperatura del agua alcanza los cuatro grados se acelera el enfriamiento. El agua de la superficie es menos densa que la profunda y permanece, enfriándose hasta cero grados antes de congelarse de forma muy fina, espesándose progresivamente mientras que el resto del agua del lago permanece a cuatro grados. Sin este mecanismo la vida acuática no podría existir en el invierno. Una capa de cinco centímetros de espesor es capaz de soportar una persona y una de 30 centímetros aguanta un camión.

El mar

La sal disuelta en el agua disminuye varios grados el punto de congelación del agua del mar. Se comprueba cuando se arroja sal sobre la nieve para facilitar la circulación en carreteras. Con una concentración de 35 gramos de sal por litro, se congela a dos grados bajo cero.

Este es el fundamento de la fabricación doméstica de helados. Para lograr un baño térmico a cuatro grados bajo cero se mezclan en un recipiente sal común (ClNa) y hielo. Con el contacto de la sal se funde absorbiendo calor y bajando la temperatura. El equilibrio se logra a la temperatura de congelación del agua salada y se mantiene mientras que hay hielo en el recipiente. Dentro de este baño se pone la mezcla a convertir en un helado.

Escepticismo

El caso de "poliagua" es una muestra de cómo el deseo de creer en un nuevo fenómeno puede hacer que no se consideren las evidencias. En 1966 el científico soviético Boris Valdimorovich Derjaguin describió una nueva forma de agua, descubierta por otro soviético, N.N. Fedyakin. Se formaba al calentar el agua para condensarla en capilares de cuarzo, denominada en principio "agua anómala", pues decían que tenía una densidad mayor que la normal y una viscosidad 15 veces superior a la habitual, punto de fusión superior a los 100 grados y punto de congelación inferior a los cero grados.

En los años siguientes se publicaron artículos en los que se desarrollaban modelos en base a los enlaces de hidrógeno que originaban la polimerización del agua. Incluso hay quienes decían que si se escapaba del laboratorio sería la catástrofe, pues se polimerizaría el agua de la Tierra.

Pero algunos científicos observaron la situación desde una visión escéptica, pues los que defendían su existencia indicaban que se formaba en cantidades tan pequeñas que no se podía analizar. Con microscopía electrónica se llegó a determinar que estaba formada por partículas suspendidas en agua ordinaria, lo cual significa que no existía el agua polimerizada denominada "poliagua", sino que era agua contaminada por impurezas.

Más recientemente, Shui-Yin Lo dijo haber descubierto una nueva forma de hielo, estable a temperatura ambiente y al parecer con propiedades tan milagrosas que creó una empresa (ATG, que llegó a cotizar en Nasdaq) para explotar varios productos en base a dicho nuevo hielo, mediante venta en sistema de multinivel. Es conocido como “cristales IE”, abreviatura en inglés de hielo formado bajo electricidad. Pronto surgieron dudas sobre si era un gran descubrimiento científico, simple pseudociencia o un fraude.

Uno de los productos producidos en base a IE se denomina "Force" y según la publicidad se ha de colocar en el filtro de aire del automóvil, supuestamente actúa como catalizador que mejora la combustión e incrementa la potencia del motor. Sin embargo el producto dejó de comercializarse en el estado de Oregón (EEUU), por orden del Departamento de Justicia, por ser un fraude.