Bitácora de Física y Química

El propósito de buscar cómo variaba la densidad del agua con la temperatura no era el escribir este “post”, pero una vez conseguidos los datos  se me ocurrió teclearlos en una hoja de cálculo y obtener la representación gráfica que se puede ver más arriba. Lo llamativo de la gráfica es que evidencia lo que casi todo el mundo sabe: la densidad del agua no varía de forma lineal. Presenta un máximo a unos 4 ⁰C (exactamente a 3,8 ⁰C, con un valor de 1,00000 g/cm ³). Por encima de esta temperatura la densidad disminuye de forma aproximadamente lineal, lo cual cae dentro de la lógica (al aumentar la temperatura aumenta el volumen y, por tanto, disminuye la densidad):

Si consideramos un volumen de agua (imaginemos un lago) y la temperatura exterior disminuye, el agua situada en la superficie se enfriará. En consecuencia su densidad aumentará y tenderá a hundirse. Sin embargo a partir de los 4 ⁰ C, las cosas suceden exactamente al contrario. En el rango de temperaturas comprendido entre 4 ⁰C y 0⁰C su densidad  disminuye al enfriarse. El agua más fria no tiende a descender, sino a flotar sobre la más caliente. De esta manera el agua de la superficie se enfriará más y más hasta que llegue a congelarse. El hielo comenzará a formarse en la superficie y el agua más profunda permanece en estado líquido, así los peces pueden vivir por debajo de la capa de hielo superficial (que, además, sirve de aislante). Si el agua no tuviera este extraño comportamiento y su densidad siguiera aumentando en las proximidades del punto de solidificación, los mares y lagos comenzarían a helarse por el fondo y terminarían convertidos en un bloque de hielo. Los peces morirían sin remedio. Seguramente los mares y lagos serían algo muy distinto de lo que conocemos.

El por qué de esta anomalía hay que buscarlo en la estructura interna de los cristales de hielo. El carácter polar de las moléculas de agua condiciona que cada átomo de oxígeno (esferas rojas) se una, mediante puentes de hidrógeno (esferas amarillas y más pequeñas), a otros cuatro átomos formando una estructura tetraédrica muy abierta:

El volumen ocupado es, sorprendentemente, mayor en estado sólido que en estado líquido. La densidad del hielo (a 0⁰C) es 0,917 g/cm³, casi un diez por ciento menor que la del agua líquida. Es razonable, por tanto, suponer que cuando nos acercamos a la temperatura de solidificación las moléculas vayan aproximándose a esta estructura provocando la disminución de la densidad que se comenta.

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