Una rareza del agua que no sabía y una que no sabía por qué

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Hacía tiempo que no escribía ninguna entrada del grupo "Conocimiento inútil". Ya saben, esas píldoras de conocimiento curioso, quizá divertido de leer, pero que, la verdad, saberlo no cambiará nuestra vida.

Y, sin embargo, los ingenieros estamos llenos de conocimientos que entran en esta categoría. Son conocimientos que nosotros pensamos que nos hacen adorables, el alma de todas las fiestas y la auténtica razón por la que hombres y mujeres buscan nuestra compañía; la verdad, desconozco porqué no nos llevan bajo palio por las calles. Por otro lado, los que nos tratan nos tildan (les he oído) de pedantes insoportables... No sé qué pensar.

El caso es que hoy voy a contarles dos peculiaridades del agua; una de ellas ya la conocen, pero estoy seguro de que no sabían la razón. Y la segunda me atrevo a decir que ni siquiera saben que es un fenómeno extraño, ya que es su característica más evidente.

La primera: el agua sólida (el hielo) es menos densa que el agua líquida (el agua a secas, si se me permite el juego de palabras). Sí, ya sé que esto usted lo sabe: el hielo flota. También sabe que es una peculiaridad del agua, porque los objetos se dilatan (aumentan su volumen) al crecer la temperatura, y se contraen (disminuyen su volumen) al decrecer la temperatura. Y sabe que estas variaciones de volumen (ergo, de densidad) son muy pequeñas; sin embargo, en el caso del hielo el aumento de volumen por la solidificación es muy importante.

Sí, usted sabe todo esto. Pero no sabe porqué es. De ser así, siga leyendo.

Lo primero que hay que entender es que el estado líquido, en realidad, es un estado intermedio entre el sólido y el gaseoso. Esto lo sabemos todos, la verdad, así que suprimo el párrafo que había escrito en el que describía este punto intermedio.

En el estado sólido, las moléculas están "empaquetadas", cada una en su sitio. En la mayoría de los sólidos, el empaquetado se produce con una distribución en filas y columnas; a esto, los químicos la llaman "cristal". Cuando el cuerpo gana energía (medible como temperatura), las moléculas, con esta energía, diríamos que vibran pero sin apenas moverse de su sitio. Si la energía (temperatura) sigue aumentando, las moléculas acaban por salirse de su puesto en el cristal y empiezan a rodar unas sobre otras: estado líquido; y si sigue recibiendo energía, acaban por perder la ligazon entre ellas y se mueven con libertad: estado gaseoso. Si lo que hace es perder energía, el proceso es el inverso: primero condensa y luego solidifica. En el paso de líquido a sólido, el liquido "cristaliza". Las distancias intermoleculares en los cristales son menores que las existentes en el estado líquido, porque, por decirlo de alguna manera, en su vibración, las moléculas, al "salirse" de su puesto en el cristal, chocan con las moléculas de al lado, y este choque es un empujón que, en definitiva, lo que hace es separar a una mólecula de las que tiene al lado. Por eso el sólido es más compacto que el líquido. 

Pero resulta que existen excepciones: por ejemplo, el agua. En el estado sólido, las moléculas de agua sí cristalizan, pero lo hacen adoptando una configuración de filas y columnas muy peculiar, que en realidad deja muchos huecos. Pues bien, cuando el hielo empieza a fundirse y las moléculas empiezan a salirse de su sitio en el cristal, lo que hacen es lo mismo que a escala macroscópica: rellenan los huecos que hay en los cristales. Y el resultado es el conocido: el hielo tiene sólo el 90% de la densidad del agua. 

De rebote, ya sabe porqué la densidad máxima del agua se obtiene a los 3 grados centígrados: entre los 0 y los 3, la vibración de las moléculas tiene el mismo efecto que cuando agitamos ligeramente un recipiente con material granular: la agitación lo compacta. Lo vemos fácil cuando rellenamos un bote de azúcar o de Nesquick. A partir de los 3 grados, es como si agitáramos en exceso el bote, como nos pasemos agitando (como a los 100 grados), acabaríamos con Nesquick hasta en el techo.

Lo segundo que les había dicho es un fenómeno que es más extraño aún que el mayor volumen del hielo. Verán: el agua... ¡es líquida! Quiero decir, es líquida ¡y no debería serlo! Debería ser gaseosa. En condiciones normales en la Tierra, por supuesto. Por su sencillez y bajo peso molecular, las moléculas de agua deberían estar sueltas como los gases: el nitrógeno pesa mucho más que el agua. El oxígeno, O2, es evidente que pesa más (la molécula) que el agua, H2O. El sulfuro de hidrógeno, SH2, que pesa muchísimo más que el agua y que conserva la misma estructura que el agua, es una gas. El agua debería ser gaseosa. ¿Entonces?

Para comprender lo que pasa, hay que entender antes cómo se forma el enlace entre el hidrógeno y el oxígeno. El oxígeno tiene ocho electrones; 2 en la primera capa y 6 en la segunda. Por razones que no vienen al caso, los átomos son más estables cuando tienen 2 electrones en la primera capa y 8 en las demás; el caso es que el oxigeno "busca" tener 8 electrones en la segunda capa. El hidrógeno es un átomo pequeño, y comparte su electrón con un átomo poderoso como el oxígeno. Es el H2O, el agua. Sin embargo, hay un dato adicional: los átomos de hidrógeno no ceden totalmente el electrón al átomo de oxígeno, y éste extiende su atracción de electrones a los átomos de hidrógeno que están "combinados" con los otros átomos de oxígeno. Esta atracción secundaria no es tan fuerte como la primera, no arrebata los hidrógenos a los otros oxígenos, pero tiene un efecto "pegajoso". Sí, eso, podríamos decir que el átomo de oxigeno se convierte en pagjoso y se pega a las moléculas cercanas de agua. Esta es la causa de que los átomos de agua no estén tan sueltos como en los gases, y se manifiesta como líquida. Y, por cierto, en la molécula de H2S, aparentemente igual, el átomo de azufre busca los dos electrones del hidrógeno para su tercera capa, ya más lejos del núcleo. Esto hace que no tena tanta atracción como el átomo de oxígeno, y no se produce ese efecto pegajoso: el H2S es gaseoso.

Duncan Dhu - Casablanca