domingo, 16 de diciembre de 2012

¿Por qué flota el hielo? Estructuras del agua líquida y sólida

El hielo flota en el agua porque es menos denso. La estructura del hielo, forma un retículo que ocupa más espacio y es menos denso que el agua líquida.

Al fundirse un centímetro cúbico de hielo se forman 0,9 centímetro cúbicos de agua. Cualquier trozo de hielo flota en el agua, con una décima parte por encima de la superficie y nueve décimas partes por debajo.
Eso nos lleva a otras preguntas: ¿por qué el agua líquida es más densa que el agua sólida? ¿qué implicaciones tiene este hecho?
El estado de un cuerpo (sólido, líquido o gaseoso) viene determinado por la fuerza de atracción que las moléculas que lo componen experimentan entre sí.
Si esta atracción mantiene a las moléculas firmemente unidas en una posición fija, decimos que se trata de un cuerpo sólido. Pero no hay que olvidar que esas moléculas contienen cierta energía cinética o de movimiento que les permite vibrar en sus posiciones. Si se suministra energía, por medio de calor por ejemplo, las moléculas ganan esa energía y vibran cada vez con más violencia, hasta que la atracción de las demás moléculas no basta para limitar ese movimiento. De manera que se rompen las ligaduras y las moléculas comienzan a moverse por su cuenta, deslizándose unas contra otras, chocando y empujándose. Se produce el cambio de estado y el cuerpo pasa de ser sólido a ser líquido. Si se continúa aplicando calor, la velocidad de vibración aumenta y se produce un nuevo cambio de estado hacia el estado gaseoso. De manera general, las moléculas de un cuerpo sólido están ordenadas de manera compacta. En una disposición que apiña las moléculas unas contra otras con muy poco espacio intermolecular. Así, cuando el sólido se funde y las moléculas se separan aumentando el espacio intermolecular, la sustancia se expande y su densidad disminuye. Entonces, podemos decir que, de manera general, que los sólidos se expanden al fundirse y se contraen al congelarse.
Pero el agua no se comporta así. ¿Por qué?
Cuando el agua se enfría, se contrae su volumen, como sucede en todos los cuerpos, pero al alcanzar los 4ºC cesa la contracción y su estructura se dilata hasta transformarse en hielo en el punto de congelación. Por eso el hielo es menos denso que el agua y flota sobre ella.
Las moléculas del hielo están dispuestas en una formación especialmente laxa, en una formación tridimensional que tiene muchos huecos merced a los puentes de hidrógeno. En su caso, al calentarse y empezar a deslizarse las moléculas de agua, en vez de expandirse pasan a rellenar esos huecos o espacios intermoleculares, pasando a ocupar menos espacio en estado líquido que en sólido. Siendo, pues, menos denso el hielo que el agua.
 Esta circunstancia resulta ser muy afortunada para la vida en la Tierra.
Gracias a esta anomalía del agua, los lagos, ríos y mares, comienzan a congelarse desde la superficie hacia abajo, y esta costra de hielo superficial sirve de abrigo a los seres que viven, pues aunque la temperatura ambiental sea extremadamente baja (-50 0 -60º C), el agua de la superficie transformada en hielo mantiene constante su temperatura en 0ºC.



Y el agua del fondo queda protegida térmicamente del exterior, y puede alcanzar los 4º o 5ºC, que son suficientes para la supervivencia de ciertas especies. En esta propiedad se basan los esquimales para construir sus casa de hielo (iglúes).

 Cualquier hielo que se forme en una masa de agua flota en la superficie, aislando las capas más profundas del frío exterior y preservando el calor bajo la superficie. Esa capa aislante permite la vida bajo el hielo. Además, al concentrarse en la superficie está más expuesto a los rayos solares, siendo mayor la posibilidad de que se funda por efecto del Sol. Si fuera al contrario y el hielo fuese más denso, se hundiría y dejaría expuesta al frío al agua de la superficie, que se congelaría y se depositaría en el fondo a su vez, lejos de los rayos solares que la podrían fundir. Si el hielo fuese más denso que el agua, las reservas acuáticas del planeta estarían casi todas congeladas sin permitir gran parte de la vida que conocemos.
Así pues, esta característica del agua la hace especialmente útil para la vida.

Últimos modelos de la estructura del agua líquida y sólida

¡El agua es vida! Conocer el comportamiento estructura/dinámica es esencial para profundizar en los entresijos de la biología y de las ciencias atmosféricas; sin embargo,  la estructura del agua racionalizada por interpretación de datos, tanto teóricos como experimentales, que aportan físicos, químicos y biólogos, es un tema en constante revisión.




A pesar de la simplicidad de la molécula, el agua forma líquidos, estructuras amorfas y sólidos muy complejos y hace que cualquier estructura constituida por agua pura, con independencia del número de moléculas que formen el agrupamiento, sea objeto de continua investigación. La razón de ello es que las moléculas de agua se agrupan en estructuras que se desvían, según las circunstancias, del modelo único universal de simetría tetraédrica. Este modelo es el que fija las estructuras polimorfas del estado sólido, donde cada molécula de agua se coordina a través de cuatro enlaces de hidrógeno con otras cuatro que se localizan en los vértices de un tetraedro, actuando el átomo de oxígeno de la molécula como doble aceptor de enlaces de hidrógeno y cada uno de los dos hidrógenos como dador de enlaces de hidrógeno (Figura 1).

Según este modelo, la mayor densidad del agua en estado líquido supone que coexisten moléculas de agua que interfieren en la esfera de coordinación de otras sin estar conectadas entre ellas por enlaces de hidrógeno. Algunos autores consideran que esta participación es compatible con el modelo tetraédrico si se considera las altas velocidades a las que las moléculas se mueven en el estado líquido con la consiguiente ruptura y formación de nuevos enlaces entre las moléculas.
Otros interpretan que la coexistencia de dos modelos diferentes responde mejor para el estado líquido del agua. A esta segunda opción se llega desde evidencias estructurales y espectroscópicas y son las circunstancias externas (concentración, temperatura, presión, etc.) las responsables del intercambio entre los dos modelos.
Uno de los modelos pone de manifiesto los fuertes enlaces de hidrógeno que cohesionan el ordenamiento tetraédrico. En el segundo modelo, los enlaces de hidrógeno no existen o son débiles y no asociados a un ordenamiento molecular determinado. Si analizamos al detalle molecular la interfase entre el agua líquida y un disolvente no polar, observamos que son la circunstancias las que hacen operativo uno u otro modelo para el agua (Figura 2). Así en el entorno de la interfase, las moléculas de agua se encuentran alejadas entre sí y rodeadas por moléculas del disolvente no polar que mantienen entre ellas contactos deficientes debido a enlaces de hidrógeno muy débiles. Sin embargo, en la zona donde las moléculas de agua se rodean por otras moléculas de agua, la cohesión entre ellas es muy alta debido a que los contactos de enlaces de hidrógeno son muy fuertes. Lo que distingue a ambas estructuras es que los enlaces de hidrógeno son fuertes entre las moléculas de agua cuando en el modelo coexisten organizaciones supramoleculares diferentes (modelo unlike) y son inexistentes o muy débiles entre moléculas de la misma organización supramolecular (modelo like) (Figura 3).

Como resultado de la intercalación de organizaciones supramoleculares, las moléculas de agua pueden formar parte de la esfera de coordinación de otras sin necesidad de estar entre sí unidas por enlaces de hidrógeno.

En modelos abiertos, la mayor o menor concentración de moléculas de agua en la estructura será el factor que determine la naturaleza unlike/like del agua que la constituye. Es por tanto posible atendiendo a este factor definir escenarios donde experimentar sobre cualquiera de los dos modelos de agua. El modelo like es el preferente cuando las moléculas de agua se encuentran rodeadas por moléculas no polares. El agua en estado de vapor debe responder a las características de este modelo. Es corresponsable de fenómenos tales como el plegamiento de proteínas y el reconocimiento molecular, entre otros; y es causa de efectos definidos como hidrofóbico, de hidratación hidrofóbica, etc. Este tipo de agua se observa a 0,5-2,0 ppm en el espectro de 1H-RMN cuando gotas de agua líquida se suspenden en un disolvente no polar. Los enlaces de hidrógeno no existen o son débiles y las moléculas tienen baja movilidad en una geometría que se desvía de la simetría tetraédrica. Los agregados o agrupaciones de moléculas orgánicas que denominamos compactos, resultan permeables al agua de modelo like por lo que no es canalizable y difunde en cualquier dirección en entornos no polares sin coste energético.

El modelo unlike se produce cuando las moléculas de agua se rodean por otras moléculas de agua. Se identifica en el espectro 1H-RMN por la señal estrecha a aproximadamente 4,8 ppm que se observa cuando se usa D2O como disolvente. Los enlaces de hidrógeno son fuertes como consecuencia de la simetría tetraédrica, y se rompen y se forman a muy alta velocidad, lo que implica movimientos moleculares muy grandes. Las moléculas de agua en el modelo unlike se conducen en canales o poros a muy alta velocidad y no pueden difundirse, sin coste energético, a través de compactos de moléculas orgánicas. Un enlace de hidrógeno muy fuerte minimiza la energía del "estado de transición" que conduce a la disociación de la molécula del agua. Es el modelo anfótero del agua que desde hace más de un siglo proporciona el marco teórico donde se explica la autoionización en iones hidronio e hidróxido en bajas concentraciones por disociación espontánea del agua.

                    H2O + H2O ----> H3O+   +   OH-          Disociación espontánea del agua

La estabilidad de las especies iónicas que por disociación se generan en el modelo unlike de agua responde a geometrías que se ordenan mediante enlaces de hidrógeno. A través de cálculos mecanocuánticos se ha establecido que el ión hidronio H(H2O)N+ se estabiliza en agua según la estructura altamente simétrica que se dibuja en la figura 4, con un ordenamiento centrosimétrico que permite la máxima deslocalización de la carga positiva y solvatación en una segunda esfera de coordinación con ocho moléculas de agua.




10 comentarios:

  1. Interesante y curioso Dios hizo todo perfecto...gracias por esa informacion

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    1. Son una sucesión de eventos afortunados para la vida, los cuales tienen explicación física, son cuestiones del azar, no de Dios

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    2. no seriamos mas afortunados y correríamos con mayor suerte si existiera un dios
      porque hablas de eventos afortunados y de azar de donde provienen estos como se logran

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    3. el azar y la fortuna son mas confusos que la existencia de un DIOS es orgullo el que se abraza por no reconocer su soberanía sabiduría y poder DIOS existe

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    4. los fanáticos de dios, hablan de su poder y existencia, pero no han podido demostrar científicamente lo expuesto y le exigen a la ciencia veracidad de la que ellos carecen.

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  2. Ante tal maravilla de la creación no deberíamos desviar nuestra atención hacia discusiones absurdas, si es obra de Dios o del azar no son cuestiones incompatibles, pues tanto el Uno como el Otro, sobrepasan nuestra capacidad de comprensión, por lo cual ambas opciones son válidas ya que no podríamos construir un argumento lo suficientemente sólido hundiera argumentos tan absolutos

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  3. quien es el autor del documento?

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  4. "en igualdad de condiciones, la explicación más sencilla suele ser la correcta" : Dios o la arrogancia de creer entender todo lo que no se entiende aun teniendo no solo fe en que no van por el camino equivocado sino también en que no tienen fe.

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    1. Ahí tengo que darte la razón. No hay nada más sencillo que suponer que un hombre de barba blanca con poderes mágicos se tiró un pedo y creó el universo por arte de magia. Desde luego, es mucho más sencillo que coger un libro de química-física y reunir información suficiente para escribir un artículo como el que se presenta en esta página.

      https://www.youtube.com/watch?v=7spjfGuGA5k

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