El agua, líquido mágico...

El agua está formada por pequeñas partículas que llamamos moléculas. La molécula del agua es H₂O, o sea que está formada por 1 átomo de oxígeno (símbolo O) y 2 átomos de hidrógeno (símbolo H) y es una molécula muy livianita, mucho más liviana que las moléculas de los gases que forman la atmósfera (oxígeno, O₂ y nitrógeno, N₂) ¿Porqué entonces el agua no es un gas? No es un gas porque los átomos de hidrógeno tienen la extraordinaria propiedad de formar puentes con los átomos de oxígeno que estén cerca, como muestra la Figura 1. Cada molécula de agua está entonces "enganchada" a las otras moléculas vecinas y no puede escapar fácilmente. Y por eso el agua es un líquido.
Como las moléculas de agua están unidas entre sí, las que están en la superficie forman como una película que está en estado de tensión (tensión superficial), que no se rompe muy fácilmente. Por eso es que algunos insectos pueden caminar sobre el agua, como se ve en la Figura 2 (se nota como la superficie del agua se hunde por el peso del insecto, como cuando hundimos un dedo en la superficie de un globo de goma). Por esa razón también podemos hacer pompas de jabón o existen fuentes como la que aparece en la figura, donde el agua forma una especie de pompa o globo. Todos esas cosas se producen debido a la tensión superficial del agua y no se producirían fácilmente con otros líquidos como alcohol o gasolina, que tienen una tensión superficial mucho menor.

Experimento 1: ¿Cuándo moja el agua?

¡No hay dudas de que el agua moja, sobre todo cuando una lluvia nos sorprende sin paraguas! Pero para que el agua moje, debe caer sobre una superficie formada por moléculas que se hagan "amigas" de las moléculas de agua y que acepten los puentes que forman los átomos de hidrógeno, como decíamos antes. Hagamos el siguiente experimento:
Lavemos bien un plato con unas gotitas de detergente y agua caliente. Una vez enjuagado, veremos que el agua forma una película continua y moja toda la superficie. Las moléculas de agua han formado puentes con la sustancia que forma la superficie del plato.
Ahora tomemos un plato seco y con un dedo pasemos manteca o aceite en toda la superficie. Luego salpiquemos agua sobre el plato: se forman gotas de agua de forma redondeada por su tensión superficial, que hace que la superficie de las gotas sea lo más pequeña posible. Esas gotas están apoyadas sobre el plato pero no mojan la superficie, porque las moléculas de grasa o de aceite se niegan a formar puentes con el agua.

Experimento 2: El agua y el aceite no quieren mezclarse si no hay detergente.

Como vimos en el experimento anterior, el agua y el aceite no se hacen "amigos". ¿Qué pasa entonces si echamos aceite en agua? Bueno, es cuestión de probar mediante este experimento:
En un vaso con agua hasta la mitad agreguemos una cucharada de aceite comestible. Veremos lo siguiente:
1. El aceite flota sobre el agua porque es más liviano, o sea, su densidad es menor. La densidad es lo que pesa un cubo de 1 cm x 1 cm x 1 cm (1 cm³) lleno con la sustancia. La densidad del agua es 1,0 g/cm³. En cambio la densidad del aceite es menor: 0,91 g/cm³ y por eso flota sobre el agua.
2. El aceite forma gotitas esféricas (por su propia tensión superficial), que tienden a unirse para formar gotas más grandes.
3. Si agitamos fuertemente con una cuchara, el aceite vuelve a formar gotitas pero no se mezcla con el agua y pronto vuelve a formar una capa sobre el agua.
4. Si ahora agregamos un chorrito de detergente y agitamos con una cuchara, parte del aceite se mezcla con el agua formando algo que se llama una emulsión y el líquido aparece turbio. Lo que ocurrió es que el detergente forma puentes entre las moléculas de agua y las de aceite y entonces el aceite forma gotitas muy pequeñas que generan la turbidez.

Pero ¿qué es un detergente? Es una sustancia que tiene moléculas formadas por una "cabeza" que se hace "amiga" del agua y una "cola" muy larga que se hace "amiga" de las grasas y aceites, funcionando como "puente" entre ambas. Y el jabón tiene moléculas muy parecidas, como se ve en la Figura.
De tal manera, cuando se lavan los platos o la ropa con jabón o detergente las grasas forman una emulsión, como mencionamos antes, y pueden ser arrastradas por el agua. Y sí... cuando uno se baña pasa lo mismo...

Habíamos visto como, gracias a la tensión superficial, algunos insectos pueden caminar sobre la superficie del agua. Pero esa propiedad permite que también floten cuerpos que son mucho más densos que el agua, como se demuestra en el siguiente experimento:

Llenemos un vaso con agua y depositemos con cuidado sobre la superficie del líquido una aguja de coser mantenida por un trocito de papel de diario u otro papel poroso, como se ve en la Figura. Veremos que después de algunos segundos el papel se empapa con agua y se va al fondo del vaso, dejando a la aguja flotando gracias a la tensión superficial. Se nota que la superficie se hunde un poco alrededor de la aguja. Es un resultado bastante sorprendente, si se tiene en cuenta que el acero es mucho más denso que el agua (7,8 g/cm³).
Pero la aguja flota siempre que el agua no pueda mojarla, porque está cubierta por la grasitud natural de las manos. Si ahora agregamos al agua una pequeña gota de detergente, ese fenómeno desaparece y la aguja se moja y se hunde.

Experimento 4: ¿Qué cosas se disuelven en agua?

Hagamos el siguiente experimento: preparamos cuatro vasos o frascos de vidrio llenos con agua hasta la mitad.
- En el primero ponemos media cucharadita de sal y revolvemos: se nota que la sal se disuelve.
- En el segundo ponemos media cucharadita de azúcar y revolvemos: también el azúcar se disuelve en el agua.
- En el tercero ponemos una cucharadita de arena y revolvemos: vemos que la arena no se disuelve.
- En el cuarto ponemos unos pedacitos de parafina de una vela y revolvemos: la parafina tampoco se disuelve.
Entonces nos preguntamos: ¿porqué unas sustancias sí y otras no? Bueno, consideremos cada sustancia para entender qué pasa.

La sal. La sal común es cloruro de sodio, según los químicos. ¿Alguna vez observaron de cerca, por ejemplo con ayuda de una lupa, los granitos de sal común? Verán que muchos de esos granitos son cubos mas o menos perfectos. Esa forma externa tan regular revela que los átomos o las moléculas que forman esos cristales están sumamente ordenados. En la sal común, por ejemplo, existen átomos cargados eléctricamente (iones) ordenados como muestra la figura 1, donde los iones amarillos son cloruros (Cl-) y los azules son sodios (Na+). Esos iones se muestran separados entre sí para que pueda verse claramente el ordenamiento, pero en realidad están en contacto.

Hagamos el siguiente experimento:
En un vaso de vidrio o de plástico ubicamos dos clavos bien lijados y conectados cada uno a un cablecito, cuidando que no se toquen entre sí. Por otra parte, conectamos en serie dos pilas comunes, con un cable que vaya del polo positivo de una al negativo de la otra, o manteniendo a presión una pila en contacto con la otra (como en una linterna) por medio de una cinta elástica, por ejemplo (también podemos usar una batería de 9 voltios). Luego conectamos los cables que vienen del vaso a los polos libres de las pilas, pero interponiendo en uno de los cables un LED (diodo emisor de luz, en el cual el conector señalado con un corte plano en la base del LED debe ir al polo negativo de la pila). Como en la Figura:

Si ahora llenamos el recipiente con agua destilada (que se compra en la farmacia) veremos que el LED no enciende o enciende débilmente.
Pero si agregamos media cucharadita de sal y revolvemos, vamos a ver que la luz se enciende claramente. Eso ocurre porque ahora la solución contiene iones negativos (cloruro) y positivos (sodio), como vimos en el Experimento 4, y esos iones cargados eléctricamente pueden moverse y conducir la corriente.

El agua destilada es agua pura y está formada solo por moléculas H₂O. En cambio, el agua de la canilla, el agua mineral, el agua de los ríos y lagos, etc. siempre tienen algunas sales en disolución y en consecuencia conducen la electricidad.

Vamos a repetir el experimento anterior con la solución de sal pero sin interponer un LED, lo que permite que la corriente circule con más intensidad. Entonces veremos que en cada uno de los clavos aparecen burbujitas de gas. Lo que está ocurriendo es que, por pasaje de la corriente eléctrica, se está descomponiendo el agua de la solución en sus dos componentes: oxígeno, que se desprende sobre el electrodo positivo (se ve claramente) e hidrógeno, que se desprende sobre el electrodo negativo (menos evidente). Ese proceso se denomina electrólisis del agua.

¿Pero porqué se forman esos gases por efecto de la electricidad? Ya sabemos que el agua tiene dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno en forma de moléculas H₂O. Aún en el agua pura, unas pocas de esas moléculas se descomponen en los iones H⁺ y OH^-, que son los que se neutralizan en los electrodos de nuestro experimento y forman el hidrógeno y oxígeno gaseosos.

A temperatura ambiente el agua es un líquido, como todos sabemos. Pero el agua se evapora bastante fácilmente, como comprobamos cuando ponemos a secar la ropa recién lavada. Entonces el agua pasa al estado de vapor, las moléculas H₂O se separan entre sí y se mezclan con el aire.

Ahora consideremos el agua en su estado sólido, que es el hielo. Llenemos un vaso hasta la mitad con agua y agreguemos un cubito, sacado del congelador de la heladera. Y veremos lo siguiente:

1.- El cubito de hielo flota en el agua líquida ¿porqué? porque el hielo es menos denso (o más liviano) que el agua. En el Experimento 2 vimos que la densidad del agua es de 1,0 g/cm³. En cambio el hielo es más liviano, con una densidad de 0,92 g/cm³, y entonces flota, aunque la mayor parte del cubito queda debajo del agua. Como los témpanos en la Antártida. Cuando veamos una foto de esas moles que flotan en el mar, imaginémonos todo lo que queda fuera de la vista, debajo del agua...

De esa manera, hemos visto los tres estados del agua: vapor (o gas), líquido y sólido (hielo).

Para comprobarlo hagamos el siguiente experimento:

Consigamos una pequeña botella o frasco de vidrio con tapa metálica, como las que se usan para píldoras medicinales. La llenamos completamente con agua y la cerramos con su tapa, fuertemente apretada. Ahora colocamos el frasco dentro de una lata vacía (de tomates o duraznos al natural) y llevamos todo al congelador ("freezer") de la heladera. Al otro día comprobaremos que la tapa ha sido forzada hacia afuera por el agua congelada, que ahora desborda del frasco al haber aumentado de volumen. También puede ocurrir que, si no cede la tapa, se rompa el frasco de vidrio por la enorme presión que ejerce el agua al aumentar de volumen; por eso es conveniente poner el frasco dentro de una lata, que retendrá los pedazos de vidrio que puedan desprenderse.
También puede usarse un recipiente pequeño de plástico con tapa a presión o a rosca. En ese caso, si la tapa no cede, es probable que el recipiente se hinche o deforme por la presión que genera el agua al congelar.
Pero si una cantidad de agua aumenta de volumen al convertirse en hielo en comparación con la misma cantidad de agua líquida, significa que su densidad (lo que pesa cada cm³) disminuye. Y eso explica porque el hielo flota en el agua (ya sea un cubito en un vaso o un témpano en el mar). Este comportamiento del agua también explica porque se parten las piedras con grietas que se llenan de humedad durante el día y se congelan durante las frías noches en las zonas de montaña, o porqué revientan las cañerías de agua domiciliarias y los radiadores de los autos durante el invierno en zonas en las que la temperatura llega a varios grados por debajo de cero.

Pero ¿porqué aumenta de volumen el agua al congelarse? Ya mencionamos que el agua es líquida a temperatura ambiente porque se forman puentes de hidrógeno entre las moléculas, que se mueven constantemente. Pero cuando enfriamos el agua los movimientos de las moléculas se hacen más lentos y los puentes de hidrógeno se hacen más ordenados, hasta que se forma hielo con esta estructura:

La capilaridad es un fenómeno por el cual el agua asciende en un tubo muy fino o entre dos vidrios planos separados por una distancia muy pequeña, por ejemplo. Esto ocurre cuando el agua se adhiere con más fuerza al vidrio que la fuerza con que las moléculas de agua se atraen entre sí.
Gracias en parte a la capilaridad el agua puede subir desde las raíces hasta las hojas de las plantas, circulando por los tubos muy finos que las plantas tienen en sus tallos.
Otras situaciones que se deben a la capilaridad son, por ejemplo:
1.- El líquido que sube por un papel poroso cuando sumergimos su extremo en agua.
2.- El agua del suelo que asciende por una pared cuando no se ha puesto una capa aislante.
3.- Los cabellos mojados, que se mantienen unidos hasta que se secan.
4.- El líquido que asciende por un terrón de azúcar o una galletita, cuando sumergimos su extremo en el café o el té.
etc., etc,...

Hagamos ahora un par de experimentos para ilustrar el fenómeno de la capilaridad:

Exp. 1: Llenamos un vaso con agua coloreada hasta una altura de 2 o 3 centímetros. El colorante puede ser azul de metileno, colorante rojo para canarios, colorantes para alimentos, etc. También sirve un poco de vino tinto...
Luego tomamos una ramita de apio, sumergimos su extremo en el líquido y la dejamos toda la noche. Al día siguiente veremos que las hojas comienzan a teñirse del color que elegimos, debido a que el agua coloreada ha subido por el tallo principalmente por capilaridad. Podemos comprobar que esto es así cortando el tallo con un cuchillo: veremos que los finos tubitos o vasos capilares aparecen teñidos.

Exp. 2: Necesitaremos dos portaobjetos para microscopía, que son láminas delgadas de vidrio (preguntar a algún bioquímico o en una farmacia). Pegar una cinta adhesiva a lo largo de cada borde de un portaobjetos, cubriendo 3 o 4 milimetros de vidrio. Repetir el procedimiento dos o tres veces para engrosar la cinta. Superponer el segundo portaobjeto, de manera que los dos vidrios queden separados por un pequeño espesor, y mantenerlos juntos con un par de trozos de cinta. Si ahora sumergimos un extremo de ese "sandwich" en agua coloreada, veremos que el líquido sube lentamente por capilaridad hasta alcanzar una altura que dependerá de la distancia que separe los dos vidrios.

Y así terminamos con esta serie de experimentos sencillos, con los cuales hemos demostrado algunas de las propiedades más importantes del agua, ese líquido del cual depende el clima de nuestro planeta Tierra y del cual dependemos todos los seres vivientes.