Ciencia | Física

Las numerosas formas del agua

El agua ha fascinado al ser humano durante toda su historia. Tanto, que las culturas griega, china e indostana incluyen al agua en su sistema explicativo de cuatro o cinco elementos, mientras que para los antiguos egipcios el agua era el elemento que existía en el principio, donde vivían los ocho dioses primordiales -con cabezas de rana-, los Ogdoad, que crearon el mundo.

Este líquido omnipresente e indispensable para la vida, representaba por igual la limpieza y la pureza que la adaptabilidad, la inmutabilidad, la flexibilidad y la sabiduría. Para filósofos como Aristóteles o Tales, el principio de todo era el agua y todo se podía explicar mediante ella, porque todo venía de ella o estaba hecho de ella.

No fue hasta el siglo XVIII cuando comenzamos realmente a comprender qué es este líquido que cubre la mayor parte de nuestro planeta y del que depende la vida. En 1766, el británico Henry Cavendish consiguió aislar, en su laboratorio, un gas al que llamó aire inflamable, porque se quemaba con gran facilidad al combinarse con el aire común. Hoy, a este gas lo llamamos hidrógeno. Al repetir su procedimiento, Cavendish notó que cuando el gas se quemaba se formaba un rocío en las paredes de vidrio del recipiente usado para el experimento. Cuándo identificó el rocío como agua, Cavendish supuso que había agua presente en los dos aires que se quemaban antes de que ocurriera la ignición.

A continuación, en 1774, el británico Joseph Priestley descubrió el oxígeno. Poco después, en 1783, el francés Antoine de Lavoisier hizo reaccionar los dos gases y obtuvo agua de enorme pureza. Demostraba así que el agua no era un elemento, sino un compuesto, además de que consiguió determinar que estaba hecha de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Esta conclusión fue confirmada por Johan Ritter y Amadeo Avogadro, que descompusieron agua, mediante electrólisis, en sus gases componentes.

Svante Arrhenius sería el primero en observar la ionización del agua en 1887 y, a partir de entonces, los científicos empezaron a plantearse que quizás detrás de la aparente simplicidad del agua, de sus dos modestos componentes y de sus peculiaridades como gas, el líquido y sólido, se ocultaba una enorme complejidad y respuestas a muchos acertijos sobre la materia desde el punto de vista de la física y la química.

Es al adoptar la forma sólida que el agua nos puede sorprender. En la escuela solemos aprender que esta se congela a 0°C al nivel del mar y tiene una estructura de cristales hexagonales y una densidad menor que en su estado líquido, 0,9167 g/cm³ debido a la peculiaridad de que, a diferencia de la mayoría de los materiales con los que nos encontramos cotidianamente, el agua al enfriarse no se contrae, sino que se expande. La forma más sencilla de ver sus cristales es cuando caen como copos de nieve.

Sin embargo, ese es solo el hielo I. A principios del siglo XX, Gustav Heinrich Johann Apollon Tammann consiguió producir otras formas de hielo. El hielo II, formado a una presión atmosférica 200.000 veces la normal, y cuyos cristales no son hexagonales sino que adoptan una forma romboidal, es más denso que el hielo I, con 1,17 g/cm³. También produjo hielo III, que tiene una estructura cristalina tetragonal, con una densidad de I, 1,16 g/cm³ y que se produce comprimiendo agua o hielo con aparatos especiales, como un yunque de diamante. Ambas formas conducen bien la temperatura y tienen un alto índice de refracción de la luz.

Aunque no existen en la Tierra en forma natural, estas variedades del hielo sí pueden estar presentes en el interior de cuerpos celestes, como planetas y lunas. Además, los diversos hielos nos permiten conocer el comportamiento de materiales bajo las grandes presiones que pueden estar presentes en algunos procesos industriales presentes y futuros.

La variación no termina allí. Conocemos, al menos, seis variantes del hielo I y más de 20 formas más, hasta el hielo que tiene distintas densidades, cuyos cristales adoptan diferentes formas… o no forman cristales, y que tienen otras características relevantes para la comprensión de la materia.

A comienzos de este año, la revista Science contaba un experimento de un laboratorio británico en el cual se agitó violentamente hielo a -200°C, con bolas de acero, para romper su estructura cristalina. Se creó, por primera vez, un hielo amorfo de media densidad, que tiene el aspecto de un polvo blanco finísimo, como el que podría existir en las lunas de hielo de los planetas de la zona exterior del Sistema Solar. Es el cuarto tipo de hielo amorfo o no cristalino jamás producido.

En 2016, un grupo multinacional de investigadores de la Universidad de Oxford llamó la atención cuando analizaba las propiedades del agua líquida buscando respuestas a preguntas como el hecho de ¿qué se expande al congelarse o por qué puede pasar por los tres estados de la materia en un intervalo de temperaturas tan corto?

Según su estudio, estas características se deben a la capacidad de la molécula del agua para formar conexiones rápidas entre sí, los llamados enlaces de hidrógeno. Pero al analizar algunas otras propiedades físicas del agua, como su capacidad de ser permeada por un campo eléctrico, han descubierto que estas propiedades se alternan entre dos formas diferentes alrededor de los 50 °C. Esto indicaría que el agua líquida, aparentemente uniforme, tiene en realidad dos formas claramente diferenciadas en cuanto a sus propiedades térmicas y ópticas y, por tanto, en cuanto a su comportamiento en temas como el plegado y desplegado de proteínas según la temperatura. Es decir, un simple vaso de agua puede contener, sin que lo veamos, dos tipos claramente diferenciados de agua, el líquido que no deja de asombrarnos.