Misterios del agua-1

Los humanos y todos los demás seres que habitan este planeta dependen del agua. Ninguno sería capaz de vivir sin ella. El agua no tiene color, aroma ni sabor, entonces ¿qué es lo que la hace tan especial?, ¿por qué es una sustancia única?, ¿qué misterios encierra? Conocer sus propiedades es una forma de preservar nuestra salud y la del planeta.

Todos creemos conocer el líquido más abundante de nuestro cuerpo y del planeta Tierra. Sin embargo, a pesar de tratarse de algo tan cotidiano como vital, el agua es uno de los elementos más desconocidos y uno de los grandes enigmas de la ciencia. Quedan muchos aspectos por conocer relacionados con su naturaleza íntima.

Como veremos posee unas propiedades únicas y misteriosas que resultan difíciles de explicar. Es la única sustancia que encontramos en los tres estados: sólido, líquido y gas.  No existen dos gotas de agua exactamente iguales y, quizás, ninguna otra sustancia presente tantas diferencias siendo el mismo elemento.

¿Tiene el agua una estructura específica que varía con las condiciones ambientales? ¿Por qué flota un cubito de hielo en el agua? ¿Por qué la temperatura en la superficie del vaso es de casi cero grados centígrados y en el fondo del vaso es de unos 4 grados?  ¿Qué tiene el agua para que un insecto pueda caminar sin hundirse o que un árbol pueda transportar el agua venciendo la fuerza de la gravedad?

¿Tiene el agua capacidad de recibir, portar y transmitir información? Aumenta el número de científicos y técnicos que, desafiando el pensamiento tradicional, investigan cómo las palabras, la voz, las emociones humanas, la música o hasta el ambiente pueden afectar a las moléculas de agua y cambiar sus propiedades.

En este artículo y en los siguientes abordamos estas y otras cuestiones, que suelen ser ignoradas por el sistema educativo. También veremos como todo esto puede influir en nuestra vida, gozar de buena salud o enfermar. Es este un apasionante camino que nadie sabe hasta donde nos llevará, desde una perspectiva social, pero que está empezado a reescribir parte de los fundamentos de la física y de la química.

Tiempo de lectura: 12 minutos

Hay características del agua que son muy conocidas. Aquí vamos a recordar algunas y, sobre todo, detenernos a ver cómo la vida depende de la anómala naturaleza del agua. Los estudiantes aprenden que el agua se congela a cero grados centígrados y hierve a 100 grados centígrados. Sin embargo, si el agua siguiera el patrón de los demás líquidos de su clase (la familia de los oxígenos) herviría a 60 grados centígrados y se congelaría a  –90 grados centígrados. La consecuencia sería que a penas tendríamos agua líquida en el planeta Tierra.

Ante semejante anomalía, el físico y químico Linus C. Pauling (le dieron dos veces el premio Nobel) se preguntaba por qué el agua hierve a 100 grados centígrados. El punto de ebullición de los cuerpos varía con su peso molecular.  El agua, que tiene un peso molecular de 18, debería hervir a 60 grados centígrados, sin embargo hierve a 100 grados. ¿Por qué ocurre esa anomalía con el agua? La respuesta parece que está relacionada con la estructura única del agua, como veremos más adelante.

El punto de ebullición del agua también guarda relación con la presión barométrica. A nivel del mar el agua hierve a 100 grados centígrados y en la cima del monte Everest hierve a 68 grados centígrados.

El agua es el único líquido que al congelarse aumenta de volumen y disminuye su densidad. Por eso el hielo flota en el agua.

Sabemos que, normalmente, las sustancias se dilatan cuando aumenta la temperatura y cuando esta baja se contraen. Sin embargo, al contrario que otros líquidos que se hacen más densos cuando se enfrían, el agua alcanza su densidad máxima cerca de los 4 grados centígrados. Después, a medida que se acerca al punto de congelación, pierde densidad y comienza a expandirse. Lo que es también una anomalía.

El agua es el único líquido que al congelarse aumenta de volumen y disminuye su densidad. Por eso el hielo flota en el agua. Es decir, que mientras las moléculas de otros líquidos se apretujan al congelarse, en el agua las moléculas se distancian. Estos cambios de densidad son uno de los indicadores de que el agua debe poseer una estructura única.

Esta característica del agua tiene una serie de implicaciones para la vida:

  • La congelación de los ríos, lagos y mares se realiza de arriba hacia abajo, lo que permite que haya vida bajo la superficie helada y protege al agua de nuevas congelaciones.
  • Los icebergs en lugar de hundirse flotan en la superficie de los mares.
  • Permite el reflejo de la luz del sol en la superficie congelada.

2. El poder calorífico del agua

 Sabemos que el calor específico es la cantidad de calor que una sustancia necesita para elevar su temperatura un grado centígrado. El agua es la sustancia con la mayor capacidad calorífica conocida.

A diferencia de otros líquidos, el agua puede absorber grandes cantidades de calor antes de empezar a calentarse y lo libera lentamente mientras se enfría. Esta capacidad del agua para conservar el calor es la que permite a los océanos estabilizar su temperatura. También mantiene caliente nuestro cuerpo cuando hace frío. 

Cuando el agua se congela despide una elevada cantidad de calor (80 calorías/gramo). Y cuando se evapora absorbe calor: 540 calorías/gramo, una cantidad muy alta si se la compara con otros líquidos. Esta capacidad permite al agua absorber una considerable cantidad de calor con un pequeño cambio de su temperatura.

Debido a esta capacidad del agua los cambios de temperatura entre el día y la noche son mínimos en las costas marinas, si los comparamos con las grandes variaciones de temperatura de los desiertos donde el agua es muy escasa.

Esta propiedad del agua es muy importante para todos los organismos biológicos y explica, por ejemplo, por qué el cuerpo humano puede resistir los cambios de temperatura ambientales, incluso cuando son extremas.

A diferencia de otros líquidos, el agua puede absorber grandes cantidades de calor antes de empezar a calentarse y lo libera lentamente mientras se enfría. Como se explica en el artículo Agua y salud, esta propiedad del agua permite regular nuestra temperatura corporal y sirve de defensa a las células de nuestro cuerpo para evitar cambios bruscos de temperatura.

Ni el ser humano ni otros mamíferos podríamos sobrevivir sin la capacidad de los fluidos de nuestro cuerpo para almacenar calor y tolerar un amplio intervalo  de temperaturas ambientales. Hace falta mucho calor o frío para cambiar la temperatura del agua que hay en nuestro cuerpo.

La capacidad del agua para absorber y retener calor es la que permite a los océanos estabilizar su temperatura y funcionar como depósitos de calor. Son más calientes en invierno y más fríos en verano, por lo que regulan en buena medida el clima de la Tierra. Ayudan a distribuir el calor alrededor del planeta, moderando el frío de las regiones altas, como el Atlántico Norte, y el calor en las regiones ecuatoriales (ver el artículo Ciclo de agua y vida). 

Asimismo, mediante la transpiración el agua que se evapora a través de nuestra piel se lleva calor y actúa como un buen mecanismo de refrigeración.

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3. La estructura del agua

El agua es una parte íntima de cada ser humano y la principal sustancia de nuestro cuerpo. Acercarnos a sus secretos y conocer su estructura en nuestro interior un poco más, es una forma de preservar nuestra salud y la de nuestro entorno o de enfermar.

Junto con el enigma de su origen en la Tierra, el principal misterio del agua se puede resumir en esta pregunta: ¿Por qué el agua se comporta de forma distinta al resto de líquidos químicamente afines? Si se comportara del mismo modo, a temperatura normal el agua sería un gas; de modo que nuestro cuerpo no tendría líquidos, no habría lluvia, ni ríos ni plantas.

Mucha gente sabe que una molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Pero, aunque su composición parezca sencilla, el agua es en realidad una sustancia compleja y su estructura molecular ha sido durante mucho tiempo un misterio. El Dr. Mu Shik Jhon dedicó gran parte de su vida a desentrañar las claves de la estructura del agua. Según sus descubrimientos, una molécula de agua sola, aislada, es una rareza, ya que con enorme rapidez se junta con otras moléculas y forma pequeños grupos que con igual rapidez se separan. Las moléculas de agua encuentran una cierta estabilidad al formar grupos de distintos tamaños. Los grupos más habituales son los que agrupan a cinco o seis moléculas, formando anillos pentagonales y hexagonales. Estos, a su vez, se juntan en grupos más grandes mediante los enlaces de hidrógeno.

¿Qué es un enlace de hidrógeno? La atracción electrostática entre el hidrógeno de una molécula y el oxígeno de otra molécula adyacente es lo que se llama enlace de hidrógeno. Estos enlaces, como podremos ver a continuación, son los que hacen que las moléculas de agua se mantengan unidas y la conviertan en una sustancia tan especial y con propiedades únicas.

En cualquier sustancia su forma y estructura (el modo en que están dispuestos, los átomos, los electrones y núcleos) es esencial para explicar su comportamiento. Así, la geometría de una molécula de agua es la que determina que sea tan inusual. Hay quienes afirman que es precisamente la asimetría de la molécula de agua la que le permite cumplir su función de crear vida.

La clave para comprender los misterios del agua es conocer su geometría, es decir, la manera en que sus moléculas interactúan entre sí. Para aproximarnos al misterio podemos empezar constatando el hecho de que el agua es bipolar, es decir, que tiene un polo positivo y otro negativo.

En una molécula de agua el átomo de oxígeno (que es más grande y 16 veces más pesado) tiene una carga negativa con dos electrones, mientras que los dos átomos de hidrógeno (que son más pequeños) comparten una carga positiva que compensa. Esto hace que el hidrógeno y los átomos de oxígeno de las moléculas vecinas se atraigan entre sí, formando un puente llamado enlace de hidrógeno. 

Estos enlaces tridimensionales son los que hacen que las moléculas de agua se mantengan unidas formando agrupaciones o racimos. Pero estos enlaces también se separan con facilidad y son los que le dan al agua su extraordinaria adaptabilidad. Así, por ejemplo, el aumento de la temperatura para hervirla hace que los enlaces de las moléculas de agua se rompan fácilmente.

La temperatura es uno de los factores que determinan si el agua forma grupos de moléculas pentagonales o hexagonales. A 10° centígrados un 22% del agua adopta en su estructura formas hexagonales. Cuando se congela a 0° centígrados, el 26% del agua es hexagonal, es menos densa y tiene más volumen que el agua líquida, por eso flota. Cuando el hielo se derrite, su porcentaje de estructura hexagonal disminuye, al igual que su densidad y su volumen. 

Hay una tendencia a considerar cada estado del agua (sólido, líquido y gaseoso) de un modo aislado que permanece en el tiempo. Sin embargo, hay un intercambio constante entre los tres estados en el ciclo hidrológico (ver el artículo Ciclo de agua y vida).  Pero, si el agua es un medio que cambia continuamente, ¿cómo puede tener una estructura? 

En un trozo de hielo una molécula de agua está rodeada por cuatro vecinas organizadas en forma de una pirámide triangular, lo que llamamos tetraedro. Los libros de texto actuales dicen que las moléculas de agua líquida tienen una estructura similar, aunque menos rígida que la del hielo. Pero, como hemos visto, no todos los científicos aceptan esta explicación y los resultados de sus investigaciones indican que el agua tiene una estructura específica que varía con las condiciones ambientales

Otro de estos científicos es Martin Chaplin, de la Universidad South Bank de Londres: Ha propuesto un modelo de agrupación icosaédrica (con 20 caras) de 280 moléculas, que permite explicar las propiedades anómalas del agua.

Por ejemplo: las moléculas de agua en estado líquido están más juntas, esto hace que sea más densa que en su estado sólido (hielo). Alcanza su máxima densidad a una temperatura próxima a 4 grados centígrados, pero al congelarse se dilata un 9%. Esto explica que el hielo flote y que pueda existir vida en el agua por debajo de la superficie helada. Este distanciamiento de las moléculas de agua es debido a que el hielo tiene un 15% menos de enlaces de hidrógeno que el agua en su estado líquido. Y, como hemos visto, cuantos más enlaces de hidrógeno existen mayor es el grupo de moléculas de agua.

La capacidad calorífica del agua parece que vuelve a estar relacionada con su estructura, es decir, con la capacidad de sus moléculas para formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua que se forman y deshacen con rapidez. El calor rompe los abundantes enlaces de hidrógeno que mantienen unidas a las moléculas de agua y cuando esta alcanza los 100 grados centígrados se evapora. Pero es necesaria mucha más energía para alcanzar la ebullición del agua.

De forma que dependiendo de la temperatura la estructura del agua cambia. A una temperatura de 20 grados centígrados se forman agrupaciones de unas 450 moléculas de agua. A la temperatura corporal, 37 grados centígrados, se agrupan 400 moléculas. Cuando el agua se evapora a 100° centígrados forma agrupaciones de unas 50 moléculas.

El 70 % de nuestro cuerpo es agua, cuya temperatura normal es de 37° centígrados. Un cambio de temperatura es señal de enfermedad. Del mismo modo el cambio de temperatura del agua en la naturaleza afecta a los distintos organismos vivos. Cada gradiente de temperatura (creciente o decreciente) en el agua de un río, un lago o el mar, cumple una función y afecta a los seres vivos de cada ecosistema, como explicó el austriaco Viktor Schauberger al describir el funcionamiento de la naturaleza.

El único cuerpo resbaladizo

El hielo es el único cuerpo resbaladizo de la naturaleza

¿Alguna vez te has preguntado por qué una pareja de patinadores pueden deslizarse en el hielo mientras se preparan para realizar sus piruetas?

A medida que los patinadores se deslizan el filo de sus patines presiona sobre el hielo con una fuerza considerable. Cuando la presión es grande el hielo se funde al alcanzar una temperatura inferior.

Si, por ejemplo, el hielo tiene una temperatura de -5°C, y la presión que ejercen sobre él los patines hace que descienda su punto de fusión en más de 5°C, la parte de hielo que se encuentra debajo de los patines se derretirá. 

¿Qué es lo que ocurre entonces?

Entre el filo deslizante de los patines y el hielo se forma una fina capa de agua que hace que los patinadores resbalen. En cuanto sus pies cambian de sitio, vuelve a ocurrir lo mismo. De forma que en todas partes el hielo que pisan los patinadores se va convirtiendo en una tenue capa de agua.

El hielo es el único cuerpo existente que posee esta propiedad de viscosidad. Los demás cuerpos son lisos, pero no resbaladizos. Este fenómeno es otro indicador de que la estructura del agua varía con los cambios de presión. La presión que hace que se derrita el hielo se debe a que rompe los enlaces que mantienen unidas las estructuras hexagonales de las moléculas de agua y provoca un dominio de las estructuras pentagonales que poseen una mayor movilidad. De modo que al aumentar la presión aumenta el espacio libre entre las moléculas de agua.

El enigma de los copos de nieve

Igual que no existen dos gotas de agua idénticas, tampoco existen dos copos de nieve iguales.

Cuando los vemos a través del microscopio, los copos de nieve tienen una bella estructura geométrica. Su forma es la de minúsculas estrellas de nieve de simetría hexagonal. Constituyen uno de los elementos más bellos, fascinantes y misteriosos de la naturaleza. Con su variedad de formas asombrosas, crecen por sublimación del vapor de agua dentro de las nubes frías a una temperatura inferior a los cero grados centígrados.

Sin embargo, la forma hexagonal de los copos de nieve y la estructura hexagonal del agua son diferentes. El copo de nieve es una forma fija, compuesta por millones de moléculas de agua;  mientras que la estructura hexagonal del agua es una fluida combinación de seis moléculas simples de agua.

Pero lo asombroso es que si dejamos que ese mismo copo se descongele y lo volvemos a congelar, forma de nuevo exactamente la misma estructura geométrica. ¿Cómo consigue la molécula de agua en fase de hielo transferir su característica forma geométrica hexagonal a la del cristal?¿Tiene acaso memoria el agua? Intentaremos desvelar la respuesta en otro artículo.

4. El misterioso origen del agua

Si has llegado hasta aquí, sea cual fuere tu país de origen, seguramente eres un espíritu inquieto y quizá habrás oído o leído que se cree que la Tierra tiene unos 4500 millones de años de antigüedad. Los primeros dos mil millones de años son un misterio. También es un misterio cuando se formó la atmósfera del planeta. El origen del agua es otro enigma que los astrofísicos intentan desvelar. 

Hay quienes dicen que el agua se formó en el centro de la Tierra mientras se formaba. Según esta hipótesis, debido a las erupciones volcánicas y a las altas temperaturas, los átomos de hidrógeno y oxígeno formaron moléculas de agua que fueron enviadas en forma de vapor a la superficie terrestre. Una parte de ese vapor de agua pasó a la atmósfera (que ignoramos cuando se formó). Pero la mayor parte del vapor se condensó en forma de agua sólida. Así, en un proceso que duró millones de años, la atmósfera y los océanos se fueron formando juntos.

Otros creen que no toda el agua se originó en la Tierra. Que una parte del agua que bebemos es de origen extraterrestre. Llegó a la Tierra en forma de hielo en el interior de numerosos meteoritos. Estos al chocar con la superficie del planeta liberaron el agua formando los océanos. Científicos de la NASA analizaron el cometa S4 Linear y observaron que su composición y estructura química era muy parecida al agua actual de los océanos de la Tierra.

Sea cual fuese la controvertida teoría y sus dosis de especulación sobre el misterioso origen del agua en la Tierra, el caso es que el misterio del agua ya estaba en el planeta en sus primeros dos mil millones de años.

Lo que si sabemos es que el agua permanece en la Tierra porque la atmósfera impide que se disperse flotando o que se desintegre por efecto de la radiación solar.

Hubo un tiempo en que se creía que nuestro planeta era el único que tenía agua. Ahora sabemos que la Tierra no es el único lugar del sistema solar que tiene agua. Hace poco que se ha descubierto que hay depósitos de hielo en las regiones más oscuras de la Luna.

Bajo la capa helada de Europa, una de las lunas de Júpiter, puede existir un océano con mucha más agua que hay en la Tierra. El ritmo de las mareas bajo el hielo de Ganímedes -otra de las lunas de Júpiter- cuyo tamaño es 36 veces mayor que el de la Tierra, podría impedir que el agua se hiele completamente.

Los depósitos de agua de Titán, una de las lunas de Saturno, también pueden ser mayores que los de la Tierra. Los planetas Mercurio, Marte, Neptuno, Plutón,…, son otros lugares de nuestro sistema solar en los que también se ha encontrado agua.

Acabo este artículo del mismo modo que lo inicié, con una pregunta. Si realmente se confirma que existe agua en todos estos lugares, la pregunta sigue siendo la misma que en la Tierra: ¿Cual es el origen del agua en todos y cada uno de los planetas y lunas de nuestro sistema solar? 

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Jesús Agustín
Jesús Agustín

Es miembro de Vídeos Educa, donde comparte información y experiencias con todas aquellas personas que entienden la educación como una contribución al desarrollo de seres humanos libres. Trata de ayudar a desarrollar la habilidad y creatividad humanas, a conectar con nuestros talentos, aptitudes naturales e inclinaciones personales. Trata de ti (madre y padre, alumno y docente) y de temas que son importantes en nuestra vida, en la de nuestros hijos, amigos y vecinos, compañeros de trabajo y el planeta en el que vivimos.

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