¿Por qué el agua se expande cuando se enfría? Una nueva explicación

La mayoría de nosotros, cuando tomamos nuestras primeras clases de ciencia, aprendemos que cuando las cosas se enfrían, encogen. (Cuando las calentamos, normalmente se expanden). Sin embargo, el agua parece ser la excepción a la regla. En lugar de menguar cuando se enfría, este líquido común en realidad se expande. Para explicar este fenómeno, algunos científicos han adoptado el modelo de la “mezcla”, el cual propone que componentes similares al hielo de baja densidad predominan debido al enfriamiento. Masakazu Matsumoto, del Centro de Investigación de Ciencia de los Materiales de la Universidad de Nagoya en Japón, tiene una idea diferente. Describe su hallazgo en Physical Review Letters: “Why Does Water Expand When It Cools? (¿Por qué el agua se expande cuando se enfría?)

“Los teóricos a menudo describen que las estructuras locales similares al hielo emergen en el agua líquida súper-enfriada por enfriamiento, y el incremento de tal predominio heterogéneo de baja densidad provoca las anomalías de densidad”, dice Matsumoto a PhysOrg.com. “Tal explicación es fácil de imaginar y parece plausible. Los experimentadores tienden a creer el bonito y simple modelo teórico, e interpretan sus datos en base a este”.

No obstante, tal heterogeneidad como debe tener lugar en este modelo mezclado no ha sido verdaderamente demostrada experimentalmente. Matsumoto se propuso modelar el agua súper-enfriada, y ver si podía descubrir el mecanismo tras la expansión del agua bajo condiciones en las que debería menguar. En un trabajo anterior (M. Matsumoto, A. Baba, and I. Ohmine, J. Chem. Phys. 127, 134504 (2007)), Matsumoto ofrecía un nuevo método de analizar la estructura de red de los enlaces de hidrógeno encontrada en el agua líquida súper-enfriada. “Encontré que la estructura del agua súper-enfriada puede ser teselada en una variedad de estructuras similares a poliedros, vitritos”, dice. “Creo que esta sería una buena posibilidad de probar mi método”.

“El agua es una materia que forma una red. Puedes imaginar la estructura de la red como una esponja de cocina”, continúa Matsumoto. “La estructura de esponja es originalmente un tipo de espuma pero sin membranas, y sólo permanecen los haces –enlaces. Tanto en la red de agua como en la esponja de cocina, cuatro enlaces se unen en un punto, o nodo, para formar una red aleatoria tridimensionalmente conectada. Como Plateau señaló en el siglo XIX, cuatro haces de una espuma cruzan un nodo con un ángulo tetraédrico regular – en ángulo de Maraldi – similar a la red de enlaces de hidrógeno del agua”.

Matsumoto usó simulaciones por ordenador para observar las tres formas de cambiar el volumen de las celdas de espuma: extensión de los enlaces, un cambio en el ángulo contenido entre los enlaces, y un cambio en la topología de la red. “Discriminando las tres contribuciones, el mecanismo quedó muy claro. Uno contribuye a la expansión térmica, otro contribuye a la contracción térmica, y el último nada. La densidad máxima es un resultado de estas contribuciones en competencia”, explica.

“Encontré que la contracción de volumen térmico se debe a la desviación de los ángulos de los enlaces en el ángulo tetraédrico regular”, dice Matsumoto. También aplicó su anterior idea de los vitritos para clasificar estructuras locales. “Cualquier tipo de estructura local mengua cuando el ángulo de enlace se distorsiona del ángulo tetraédrico regular. En otras palabras, la variedad de estructuras locales no es el factor principal que contribuye a la contracción térmica. El agua mengua homogéneamente por la distorsión angular térmica, sin importar la variedad estructural local”.

Ahora mismo, no obstante, reproducir los resultados de la simulación de Matsumoto de forma experimental es una tarea bastante difícil. “Aún es bastante difícil observar heterogeneidad microscópica en experimentos”. Espera, sin embargo, que su simulación tendrá, al menos, a los teóricos y experimentadores pensando sobre ideas alternativas a la un dominio de baja densidad similar al hielo creciendo en el agua líquida a través del enfriamiento. “Mi hallazgo afectará a la interpretación de datos experimentales en agua súper-enfriada así como el agua en la vecindad de muros, soluciones y biomoléculas”.

Pensando en el futuro, Matsumoto espera usar una simulación por ordenador para abordar el uso del poliamorfismo del agua. “Existen varios materiales que invocan la coexistencia líquido-líquido. El caso más aparente se observa en el fósforo, y materiales de red tetraédricos tales como el agua, el silicio, sílice y germanio, se suponen que también son el caso”, insiste. “Mediante las simulaciones por ordenador, mucha gente también ha reproducido la coexistencia líquido-líquido. No obstante, nadie ha explicado jamás cómo y por qué dos fases de líquido de un único componente pueden compartir el interfaz”.

Parece que el agua es mucho más interesante de lo que muchos de nosotros pudo haber imaginado.


Más información:

Masakazu Matsumoto, “Why Does Water Expand When It Cools?” Physical Review Letters (2009). Available online: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.017801 .

M. Matsumoto, A. Baba, and I. Ohmine, “Network Motif of Water.” Journal of Chemical Physics (2007). Available online: http://theochem.chem.nagoya-u.ac.jp/wiki/wiki.cgi/matto?page=network+motif+of+water#p0 .

Autor: Miranda Marquit
Fecha Original: 17 de jlio de 2009
Enlace Original

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Comments (3)

  1. ¿Por qué el agua se expande cuando se enfría? Una nueva explicación…

    La mayoría de nosotros, cuando tomamos nuestras primeras clases de ciencia, aprendemos que cuando las cosas se enfrían, encogen. (Cuando las calentamos, normalmente se expanden). Sin embargo, el agua parece ser la excepción a la regla. En lugar de meng…

  2. turok

    El hecho de que el agua se expanda al enfriarse en lugar de contraerse como ocurre en los fluidos es una antigua cuestión de la física básica que núnca nadie explicó muy bien(o mejor no explicó).De hecho el agua continua teniendo más misterios, uno de ellos es esa tonalidad azulada que suelen tener las grandes masas de agua(rios, lagos,mares).Como todo el mundo sabe el agua es incolora.¿A que se debe, pues esa tonalidad azul?.No se debe a fenómenos tipicamente luminicos, como la reflexión, refracción,dispersión Rayleigh, interferencias, ni nada eso.Curiosamente el agua es el único ejemplo conocido de color natural(esa tonalidad azul)producido por transiciones vibratorias y la molécula de H20 posee tres estados vibratorios distintos, que dan estados excitados en las moléculas del agua, que se traducen en esa coloración azulada.El mecanismo de esa excitación se debe a una absorción selectiva en la porción roja del espectro, y los fotones ahí absorbidos promueven transiciones a tonalidades azuladas.La cosa es más complicada, pero para un comentario es suficiente lo dicho.De todos modos lo que se dice en este estudio no me parece ninguna idea descabellada.En algun sitio debe estar la explicación a ese comportamiento del agua, contrario a lo que sucede con cualquier otro fluido.

    • David

      El por qué se expande el agua al enfriarse es consecuencia de la peculiaridad de su molécula, muy sencilla y totalmente dependiente de los puentes de hidrógeno. Por esta combinación, el agua tiene un punto triple “peculiar”, haciendo que sea el único líquido con esa propiedad. Termodinámicamente hace mucho que está explicado aunque parece que este estudio pretende profundizar más en el tema.

      En cuanto al color del agua en grandes masas de agua, la teoría dominante actualmente explica que se debe en gran parte a la reflexión del azul del cielo y que en realidad el agua no es totalmente incolora, algo lógico pensando que el oxígeno tiene una componente azul.

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