ESTRUCTURA DEL AGUA Y DE LA NIEVE Agua

203
Breviario para mis nietos
Ibrahim González-Urbaneja
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ESTRUCTURA DEL
AGUA Y DE LA NIEVE
Edición: Norka Salas
ESTRUCTURA DEL AGUA
Y DE LA NIEVE
A
gua. Es el nombre que comúnmente se aplica al
estado líquido de la sustancia compuesta por
hidrógeno y oxígeno en la proporción de H2O.
En 1781 el químico británico Henry Cavendish sintetizó
agua detonando una mezcla de hidrógeno y de aire. Sin
embargo, los resultados de este experimento no fueron
interpretados claramente hasta dos años más tarde, cuando
el químico francés Antoine Laurent de Lavoisier propuso
que el agua no era un elemento sino un compuesto de oxígeno
e hidrógeno.
En un documento científico presentado en 1804, el
químico francés Joseph Louis Gay-Lussac y el naturalista
alemán Alexander von Humboldt demostraron conjuntamente
que el agua consistía de dos volúmenes de hidrógeno y uno
de oxígeno, tal como se expresa en la fórmula actual H2O.
1818
El agua químicamente pura es un líquido inodoro e
insípido; incoloro y transparente en capas de poco espesor,
tomando un color azul cuando se mira a través de un espesor
mayor de seis u ocho metros, debido a que absorbe las
radiaciones rojas de la luz.
El hielo se funde en cuanto se calienta por encima de su
punto de fusión, el agua líquida se mantiene sin solidificarse
algunos grados por debajo de la temperatura de cristalización,
agua subenfriada, y puede conservarse líquida a –20° en
tubos capilares o en condiciones extraordinarias de reposo.
La solidificación del agua va acompañada de
desprendimiento de 79,4 calorías por cada gramo de agua
que se solidifica.
La cristalización es el proceso por el que el agua pasa de
su estado líquido al sólido cuando la temperatura disminuye
de forma continua. En la cristalización su volumen aumenta
en un 9 por 100.
Cristaliza en el sistema hexagonal y adopta formas
diferentes, según las condiciones de cristalización.
A consecuencia de su elevado calor específico y de la
gran cantidad de calor que pone en juego cuando cambia su
estado, el agua actúa como un excelente regulador de
temperatura en la superficie de la Tierra y en las regiones
marinas.
1819
El agua es un compuesto bastante versátil principalmente
debido a que el tamaño de su molécula es muy pequeño, y a
que su molécula es buena donadora de pares de electrones,
que conforman los puentes de hidrógeno favorecedores de
los enlace entre sí, de las diminutas moléculas de agua.
Entre las moléculas de agua se establecen enlaces mediante
los puentes de hidrógeno debido a la formación de dipolos
electrostáticos (sistemas formados por dos cargas eléctricas
de igual magnitud pero de signos opuestos, es decir un polo
es positivo + , y el otro es negativo - ).
El oxígeno, al ser más electronegativo que el hidrógeno,
atrae más, hacia sí mismo, los electrones compartidos en
los enlaces covalentes con el hidrógeno, cargándose
negativamente, mientras los átomos de hidrógeno se cargan
positivamente, estableciéndose así dipolos eléctricos.
Los enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas
del agua pura son responsables, entre otras cualidades, de
la dilatación del agua al solidificarse, es decir, su disminución
de densidad cuando se congela.
En estado sólido –hielo–, las moléculas de agua se ordenan
formando tetraedros, situándose en el centro de cada
tetraedro un átomo de oxígeno y en los vértices dos átomos
de hidrógeno de la misma molécula y otros dos átomos de
hidrógeno de otras moléculas con las cuales se enlazan
electrostáticamente por puentes de hidrógeno con el átomo
de oxígeno. La estructura cristalina resultante es muy abierta
y poco compacta, menos densa que en estado líquido.
Por medio de estos enlaces se van incrementando, o
separando los volúmenes de agua.
1820
Nieve. Si hay algo que caracteriza a los cristales de hielo
que componen los copos de nieve, es la variedad de su
forma. A pesar de que, en general, todos tienen una simetría
hexagonal, se dice que prácticamente es imposible encontrar
dos cristales exactamente iguales ¿Por qué ocurre esto, si
se forman dentro de una misma nube, sometida a las mismas
condiciones atmosféricas. El secreto está, como sabemos,
en la temperatura y la super saturación del vapor de agua en
el momento en que los cristales se desarrollan.
El cristal comienza a crecer alrededor de una pequeña
impureza química –generalmente el polvo que se encuentra
por incontables millones flotando en la atmósfera– en el
aire. La estructura molecular del cristal de hielo es
extremadamente sensible a los factores ambientales
mencionados, y pequeñas variaciones en algunos de esos
parámetros dan como resultado cristales simétricos
completamente diferentes. Hoy creemos comprender los
principios físicos que gobiernan su desarrollo, aunque
seguimos siendo incapaces de predecir con algún grado de
certeza cuál será la forma exacta que caracterizará a un
diminuto cristal, esencia y alma de los añorados copos de
nieve.
La gente –y en especial los científicos– se han sentido
atraídos por la formación de los cristales de hielo que
constituyen los copos desde prácticamente la primera vez
que un humano vio nevar. Johannes Kepler y luego René
1821
Descartes hicieron estudios meteorológicos. Pero estos
estudios se limitaron a describir la variedad de cristales
existentes, sin lograr explicar su origen.
Hubo que esperar hasta finales del siglo XIX, cuando la
invención de la fotografía permitió realizar un análisis más
profundo de los cristales de hielo. Es así como Wilson
Bentley pudo crear un catalogo de más de 5.000 figuras y
publicó la mayor parte de ellas en un libro editado en 1931.
Es posible que la belleza de las imágenes capturadas por
Bentley sean las responsables de la temática figurativa o
iconográfica que los cristales de nieve dan origen en la
estación más fría del año.
Los cristales de nieve se han convertido en un verdadero
icono del frío invernal,
¿Cómo se producen estructuras tan diferentes a partir del
mismo material?
Fue el japonés Ukichiro Nakaya quien realizó los primeros
estudios «de laboratorio». Intrigado, al igual que sus
predecesores, por la forma que adoptaban los cristales
durante su crecimiento, logró, en 1933, obtener los primeros
cristales de nieve «sintéticos». Nakaya realizó experimentos
en los que variaba ligeramente la temperatura y el nivel de
sobresaturación del agua, y observó la influencia que esto
tenía sobre la forma de los cristales obtenidos.
1822
Masaru Emoto, científico japonés,
demostró cómo el efecto de
determinados sonidos, palabras,
pensamientos, y sentimientos
alteran la estructura molecular del
agua.
La técnica consiste en
exponer el agua a esos
agentes, congelarlas y
después fotografiar los
cristales que se forman
con la congelación.
De gran interés para
la sanación y para el
bienestar diario son
los efectos extremos
que sobre los cristales
de agua tienen las
palabras e ideas
negativas.
Aquí se pueden ver los
resultados obtenidos
con las palabras «Me
das asco» aplicadas a
otra muestra de agua
destilada.
Curiosamente, el
modelo obtenido al
aplicar estas palabras
fue casi idéntico al de
aplicar música heavy
metal.
1823
El perfil general de todos los copos siempre será
hexagonal. A pesar de la variedad casi infinita de cristales
que pueden generarse, es la forma de la molécula de agua la
que dicta su simetría. Dado que el H2O es un perfecto
triángulo equilátero, cada nodo de crecimiento del cristal no
tiene otra opción que «pegarse» en un ángulo de exactamente
60 grados con respecto a los vértices del triángulo. Este
hecho es el responsable de que, en cada «capa» de
crecimiento, seis de esos «triángulos moleculares» formen
la base del crecimiento siguiente, por lo que la forma será
siempre hexagonal. Sin embargo, conocer esto no basta para
determinar la forma del cristal resultante.
Copo de nieve tomado con una cámara digital en modo manual y macro.
Al examinar dos nevadas separadas por sólo unas horas
uno pueda encontrar cristales con agujas muy diferentes.
La distancia entre el Sol y la Tierra y la combinación de
radiación solar recibida y el efecto invernadero en la
atmósfera aseguran que la superficie terrestre no sea
demasiado fría o caliente para el agua líquida. Si la Tierra
estuviera más alejada del Sol, el agua líquida se congelaría.
Si estuviera más cercana, su temperatura superficial elevada
limitaría la formación de las capas polares o forzaría al agua
a existir sólo como vapor.
Hielo. Al estar el agua en estado sólido, todas las moléculas
se encuentran unidas mediante un enlace de hidrógeno, éste
es un enlace intermolecular que da origen a una estructura
1824
parecida a un panal de abejas, lo que explica que el agua sea
menos densa en estado sólido que en el estado líquido. La
energía cinética de las moléculas es muy baja, es decir que
las moléculas están casi inmóviles.
Por su parte, el agua glacial sometida a extremas
temperaturas y presiones criogénicas, adquiere una alta
capacidad de sublimación, –pasar un cuerpo directamente
del estado sólido al gaseoso– al pasar de sólida a vapor por
la acción energética de los elementos que la integran
–oxígeno e hidrógeno– y del calor atrapado durante su
proceso de congelación-expansión.
Es decir, por su situación de confinamiento a grandes
profundidades se deshiela parcialmente, lo cual genera vapor
a una temperatura ligeramente superior del helado entorno,
suficiente para socavar y formar cavernas en el interior de
los densos glaciales. Estas grutas, que además contienen
agua proveniente de sistemas subglaciales, involucran las
tres fases actuales del agua, donde al interactuar en un
congelado ambiente subterráneo y sin la acción del viento
se transforman en el cuarto estado del agua: plasma
semilíquido o gelatinoso.
Cuando el agua está en estado líquido, al tener más
temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas,
por lo tanto el movimiento de las moléculas es mayor,
produciendo quiebres en los enlaces de hidrógeno, quedando
algunas moléculas sueltas, y la mayoría unidas.
1825
Vapor de agua. Cuando el agua es gaseosa, la energía
cinética es tal que se rompen todos los enlaces de hidrógeno
quedando todas las moléculas libres. El vapor de agua es
tan invisible como el aire; el vapor que se observa sobre el
agua en ebullición o en el aliento emitido en aire muy frío,
está formado por gotas microscópicas de agua líquida en
suspensión, lo mismo que las nubes.
El agua es el principal e imprescindible componente de
nuestro cuerpo. El ser humano no puede estar sin beberla
más de cinco o seis días sin poner en peligro su vida. El
cuerpo humano tiene un 75 % de agua al nacer y cerca del
60 % en la edad adulta.
Distribución. Un hombre de 70 kilos contendrá
aproximadamente 42 litros de agua total corporal, 28 lts
como agua intracelular y 14 lts como agua extracelular, de
los cuales aproximadamente 3 lts serán de plasma y otros
11 lts serán fluidos intersticiales.
1826