El agua: sólida, líquida, gaseosa y…

DANIEL GARCÍA VELÁZQUEZ * | Santa Cruz de Tenerife

El agua es el compuesto químico más abundante en la superficie del nuestro planeta. / DA

A menudo, los científicos descubren cosas inesperadas cuando analizan los materiales a escala nanométrica (sirviéndose de la microscopía electrónica), es decir, en el nivel propio de los átomos individuales y moléculas. Esto ocurre, incluso, con los materiales más comunes, como por ejemplo el agua. Si se le preguntase a cualquier persona de a pie, con unos conocimientos mínimos, que en cuántos estados existe el agua, respondería rápidamente: “pues en tres: sólido, líquido y gaseoso”. Sin embargo, la respuesta no es tan obvia para algunos físicos especialistas en disoluciones acuosas como Yang Zhang y Sow-Hsin Chen, del mundialmente famoso Instituto Tecnológico de Massachussetts (MIT). La prestigiosa revista norteamericana Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) les ha publicado recientemente un artículo referido a otra alternativa defendida por estos científicos. La nueva investigación, centrada en la estructura molecular del agua sometida a una gama amplia de presiones y temperaturas, aporta algunas evidencias de la existencia de esta transición líquido-líquido.

Es conocido que todos los materiales experimentan cambios de estado en su materia: sólido, líquido y gaseoso. En estos cambios, las propiedades de un material pueden variar rápida y significativamente. Una teoría propuesta dos décadas atrás explica parte del extraordinario comportamiento del agua, sugiriendo que puede ocurrir una transición similar entre dos estados líquidos diferentes. Según la teoría, en dicha transición la configuración de las moléculas de agua cambia de un modo que hace que los dos estados líquidos tengan densidades muy diferentes.

Pero, ¿qué es el agua y porqué sigue despertando tanto interés su estudio? El agua es el compuesto químico más frecuente, el más abundante en la superficie del nuestro planeta y el de mayor significación para la vida. El químico francés Lavoisier fue el primero en proponer que el agua no era un elemento químico, sino un compuesto formado por un átomo de oxígeno y por dos átomos de hidrógeno. Su excepcional importancia, desde el punto de vista químico, radica en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza, no solo en organismos vivos, sino también en la superficie de La Tierra, así como los que se llevan a cabo en el laboratorio y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua. Conocemos mucho de ella pero sigue siendo una molécula con grandes misterios qué resolver. Por ejemplo, el agua se expande en lugar de reducirse mientras se congela. Ello permite no solo que los cubitos de hielo floten en la superficie de nuestros vasos de bebidas sino que, a temperaturas bajas, en los lagos y océanos con superficies congeladas sirven de aislantes ya que, bajo las mismas, el agua permanece líquida y hace posible la existencia de vida y evolución de las especies.

Se sabe que es relativamente fácil producir agua superenfriada, que permanezca en estado líquido por debajo del punto de congelación normal (es la base del uso de la sal para derretir la nieve). El agua también puede ser supercalentada hasta muy por encima de su punto de ebullición, comenzando de repente a hervir solo si es perturbada del modo apropiado. Tanto en la congelación como en la ebullición, el agua necesita un punto de nucleación, es decir, una especie de burbuja en la que se agreguen moléculas, variando la energía para que se inicie el cambio de estado.

En esta investigación llegaron a someter al agua líquida a un rango de temperaturas desde 170ºC hasta menos 60ºC bajo cero. En cuanto a la presión, la variaron desde la presión atmosférica normal a nivel del mar (1 atmósfera) hasta unas 3.000 veces esa cantidad.

Según los investigadores, los resultados obtenidos podrían tener repercusiones notables en campos que van desde la biología hasta la construcción. Cabe mencionar el hecho de que la mayor parte de los organismos vivos no son capaces de recuperarse después de experimentar temperaturas más frías que 45º C bajo cero durante un tiempo prolongado, lo que se explica por la transición del agua hacia un estado de menor densidad, que impide que funcionen apropiadamente las proteínas, imprescindibles para el metabolismo de los organismos vivos. Algo semejante podría ocurrir en el sector de la construcción, puesto que el hormigón contiene diminutas cantidades de agua que pueden ocasionar en edificios y carreteras de regiones polares la aparición de grietas considerables cuando las temperaturas descienden por debajo de esos 45 ºC bajo cero. A modo de conclusión, el descubrimiento y el análisis del comportamiento de este cuarto estado del agua brindarán respuestas a muchos de los enigmas que mantiene todavía ocultos ese gran líquido vital.

*Doctor en Ciencias Químicas (Química Orgánica) ULL