Agua: ese ¿líquido? asombroso (1)

Agua en estado líquido y sólido

Hace ya unos meses, cuando hablaba de la Temperatura del motor (1 y 2) prometía dedicar un día a hablar de las propiedades excepcionales que tiene el agua. Como yo cumplo mis promesas (y últimamente he recibido presiones amables peticiones internas para tratar el tema), hoy abordaré el tema, y por supuesto de sus consecuencias para nuestros vehículos.

Todas las substancias se pueden presentar en diferentes estados de agregación, o fases. A grandes rasgos, podemos diferenciar dos fases: sólido y fluido. En algunas condiciones (no siempre), la fase fluida se puede dividir en dos: líquido y gas.

Una substancia se encuentra en una u otra fase según a qué condiciones de temperatura y presión se encuentre. Por ejemplo, todos sabemos que a presión atmosférica, el agua es líquida entre 0ºC y 100ºC, sólida por debajo de los 0ºC y gaseosa por encima de los 100ºC. La temperatura a la que se producen estas transiciones de fase cambia al variar la presión. Ésto se suele representar en el diagrama de fases que podemos contemplar a continuación.

Diagrama de fases del agua

La primera propiedad asombrosa del agua es que sea líquida en condiciones ambientales. Todos sabemos que el agua está formada por dos átomos de hidrógeno (de peso 1) y uno de oxígeno (de peso 16). Sin embargo, ambos elementos por separado en condiciones normales se presentan en estado gaseoso, no líquido. Es muy raro que una molécula tan ligera, de peso atómico 18, aparezca en estado líquido. Incluso moléculas mucho más pesadas, como la de CO2 (peso atómico 40) suelen aparecer en forma de vapor.

El motivo viene de la propia forma de la molécula de agua. Los tres átomos que la forman no están alineados, sino que están en los vértices de un triangulo. El átomo de oxígeno queda en medio, con carga eléctrica negativa – gracias a que se agencia los electrones de los dos átomos más pequeños – .Esquema de la estructura de la molécula de agua Los diminutos átomos de hidrógeno – despojados de sus electrones – quedan con carga positiva, forman un ángulo de 104.45º, ligeramente más que el ángulo recto. Esta forma recuerda, en cierta medida, a la cara de Mickey Mouse, con sus dos orejones.

Al no estar alineados, el lado donde quedan los hidrógenos tiene cierta carga positiva, mientras que el lado contrario queda con carga negativa. Es decir, la molécula de agua es polar. Dado que las cargas de signo contrario sienten una fuerza eléctrica de atracción, el lado positivo de una molécula de agua ejerce atracción sobre la parte positiva de otra molécula. Esta fuerza entre moléculas recibe el nombre de puente de hidrógeno, y no está presente en muchas substancias.

La fuerza de los puentes de hidrógeno hace que más difícil separar moléculas de agua, y por lo tanto pueda permanecer en estado líquido a temperatura ambiente. A continuación podemos ver un esquema de este tipo de enlace.

Puentes de hidrógeno entre moléculas de agua

Cuando hablamos de la temperatura ya explicamos que, a mayor temperatura, más rápido se mueven las moléculas que forman una substancia. Por lo tanto, cuando se mueven más rápido, cada molécula tiende a ocupar más sitio, lo que se traduce en la dilatación térmica al aumentar la temperatura. Y, viceversa, al enfriar algo, suele encogerse.

Pues bien, el agua no lo cumple a raja tabla. Los puentes de hidrógeno necesitan cierta movilidad para ser efectivos. Cuando la temperatura baja por debajo de unos 4ºC, la atracción polar entre moléculas se reduce. En consecuencia, aunque se muevan más despacio, a bajas temperaturas las moléculas de agua tienen un enlace más débil y tienden a separarse. Es decir, al reducir la temperatura por debajo de cuatro grados, el agua ocupa más que cuando está caliente.

De hecho, esto sigue siendo así cuando el agua se enfría más y pasa a estado sólido (hielo). El hielo ocupa más volumen que el agua líquida equivalente. Es menos denso, y por eso flota.

Los icebergs flotan debido a que el agua sólida ocupa más espacio que la líquida

Hay muy pocas substancias que tengan esta característica, es realmente asombrosa. Podemos hacer un experimento en nuestras casas para demostrarlo, llenamos hasta arriba una botella de agua, que no quede ni una burbuja de aire. La cerramos y la metemos en el congelador. Al congelarse, el volumen de hielo que se forma no cabrá dentro de la botella, y la reventará.

De hecho, esto es un muy grave peligro para nuestros coches. Hay varios sistemas que utilizan líquidos basados en agua para funcionar: el sistema de refrigeración, el limpia parabrisas, etc. El líquido de frenos no está compuesto por agua, sino de un tipo de alcohol llamado poliglicol que también forma puentes de hidrógeno. Si estos líquidos llegan a congelarse, podrían reventar los manguitos. Por ese motivo, suelen añadirse aditivos, llamados anticongelantes, que evitan la formación de hielo por debajo de la temperatura de congelación normal.

Por lo tanto, para el buen funcionamiento de muchos sistemas de nuestros coches es imprescindible que el agua siga siendo líquida, de ahí los signos de interrogación en el título del artículo.

Pero el peligro no viene únicamente por las temperaturas bajas, también existe el peligro que el agua hierva y pase a estado gaseoso. Especialmente en el circuito de refrigeración, precisamente encargado de absorber el exceso de temperatura del motor. Precisamente de ésto tratará el próximo artículo.

En Circula seguro | La temperatura del motor (1 y 2), Consejos para conducir en invierno
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