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El agua 102 manuel guerrero legarreta ECOLOGÍA LA CIENCIA PARA TODOS

El agua. Manuel Guerrero Legorreta

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“Conocer el agua es amarla, más que de tierra somos de agua, así que conocerla es saber de qué formamos

parte…” De estas frases se sirve el autor para preparar al lector antes de llevarlo a un recorrido por diversos aspectos del vital líquido: los diferentes momentos

del conocimiento humano sobre la naturaleza del agua, sus características fisicoquímicas, su presencia en nuestro planeta —¡incluso en otros lugares

del Sistema Solar!—, el proceso de cambio ecológico debido a la alteración de los mantos acuíferos, entre otros. En esta nueva edición, revisada y

aumentada, se incorporan datos actualizados y un nuevocapítulo sobre el agua en el Universo.

Manuel Guerrero Legarreta estudió física en la Facultad de Ciencias

de la UNAM, y realizó su doctorado en fisicoquímica en el Imperial

College of Science and Technology de Londres. Ha sido maestro

en la UNAM, en la UAM y en el Colegio Nacional de Educación

Profesional Técnica, e investigador y directivo en el Instituto

Mexicano del Petróleo y en el Instituto de Investigaciones Eléctricas.

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La Cienciapara Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científicadel Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenidoun ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiracionesde las personas e instituciones que la hicieron posible. Los cien-tíficos siempre han aportado material, con lo que han sumado asu trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo quelos temas más complejos y casi inaccesibles puedan ser entendi-dos por los estudiantes y los lectores sin formación científica.

A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso ade-lante, que consistió en abrir la colección a los creadores de laciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lenguaespañola —y ahora también del portugués—, razón por la cualtomó el nombre de La Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través de la mar Océano,a la Península Ibérica, está en marcha un ejército integrado porun vasto número de investigadores, científicos y técnicos, queextienden sus actividades por todos los campos de la cienciamoderna, la cual se encuentra en plena revolución y continua-mente va cambiando nuestra forma de pensar y observar cuantonos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sóloen extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una cien-cia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradiciónhumanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última ins-tancia, su fin. Y, en consecuencia, su propósito principal esponer el pensamiento científico en manos de nuestros jóvenes,quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desdeñara ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.

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EL AGUA

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Comité de Selección

Dr. Antonio AlonsoDr. Francisco Bolívar ZapataDr. Javier BrachoDr. Juan Luis CifuentesDra. Rosalinda ContrerasDra. Julieta FierroDr. Jorge Flores ValdésDr. Juan Ramón de la FuenteDr. Leopoldo García-Colín SchererDr. Adolfo Guzmán ArenasDr. Gonzalo HalffterDr. Jaime MartuscelliDra. Isaura MezaDr. José Luis Morán LópezDr. Héctor Nava JaimesDr. Manuel PeimbertDr. José Antonio de la PeñaDr. Ruy Pérez TamayoDr. Julio Rubio OcaDr. José SarukhánDr. Guillermo SoberónDr. Elías Trabulse

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Manuel Guerrero

EL AGUA

laciencia/102

para todos

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Primera edición (La Ciencia desde México), 1991

Segunda edición (La Ciencia para Todos), 1998

Tercera edición, 2001

Cuarta edición, 2003

Quinta edición, 2006

Tercera reimpresión, 2012

Guerrero Legarreta, Manuel

El agua / Manuel Guerrero Legarreta. — 5a ed. —

México : fce, sep, Conacyt, 2006

178 p. ilus. ; 21 × 14 cm — (Colec. La Ciencia para Todos ;

102)

Texto para nivel medio superior

ISBN 978-968-16-8011-4

1. Ciencias de la Tierra 2. Agua 3. Recursos naturales

I. Ser. II. t.

LC QH541.5 W3 Dewey 508.2 C569 V.102

Distribución mundial

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica,

al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la

Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

D. R. © 1991, Fondo de Cultura Económica

Carretera Picacho-Ajusco 227, 14738, México, D. F.

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Tel.: (55)5227-4672. Fax: (55)5227-4640

Se prohíbe la reproducción total o parcial de esta obra, sea cual fuere

el medio, sin la anuencia por escrito del titular de los derechos.

ISBN 978-968-16-8011-4

Impreso en México • Printed in Mexico

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PRÓLOGO A LA EDICIÓN REVISADA

Hace casi trece años salió la primera edición de estelibro. Yo no tenía la menor idea de lo que iría a pasar con él; mimás alta expectativa era que se leyeran los 3 000 ejemplares quese tiraron en ese entonces, y eso sería tener muchísimos máslectores de los que jamás habría imaginado.

Ha pasado mucho tiempo y el libro fue leído por jóvenesque en aquel entonces eran unos pequeños de pocos años deedad. El concurso Leamos La Ciencia para Todos ha tenido unéxito extraordinario; ahora está presente, además de en Méxi-co, en Cuba y Colombia, y he visto con gusto cómo El agua haparticipado en esos concursos. He recibido los trabajos añocon año y en ellos he encontrado la crítica fresca, el señala-miento de aciertos y errores. Varios lectores me señalaron quehabía sido limitar el alcance de la obra hablar únicamente delos problemas del agua en la Ciudad de México. Otros me handicho que quedaron muchos temas por tratar.

El Fondo de Cultura Económica me ha invitado a dar pláti-cas sobre el libro en diversos sitios de México y de Colombia.Fueron estas experiencias invaluables en las que he tenido laoportunidad de escuchar de primera mano las inquietudesde los lectores… y me han enfrentado a preguntas difíciles decontestar.

Comentábamos una vez en el Conalep de El Rosario —unbello pueblecito de Sinaloa, en el noroeste de México— las for-

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mas en las que puede cuidarse el agua en un lugar pequeño,a un nivel doméstico. Varios años después me encontré con eldirector del plantel, José Antonio López, quien me dijo muysatisfecho que sus alumnos habían experimentado varias for-mas de cuidar al agua y que la conciencia se había transmitidode una generación a otra. En Bogotá tuve la oportunidad deescuchar iguales inquietudes, y de conocer a la maestra NohoraConsuelo Aldana, quien puso en marcha un programa en dondesus alumnos llevan a casa el conocimiento adquirido en clasesde ciencias naturales para socializarlo con sus padres; ello, ade-más de haber elevado la autoestima de los estudiantes, estrechólos lazos familiares y condujo a propuestas muy interesantes:haciendo un análisis del consumo de agua en sus hogares, lo-graron reducirlo en un 38%.1 En palabras de unos padres defamilia: “...confirmamos que las estrategias que fueron utilizadaspara el ahorro del agua fresca fueron todo un éxito y tambiénqueremos comunicarle [a la Maestra Aldana] que las seguire-mos usando para mejorar la economía de la gente que habitaesta casa”.2

Respecto a las preguntas difíciles, narro esta anécdota. Esta-ba otra vez en Bogotá ante un auditorio de 600 niños de entre12 y 15 años de edad; la sesión de preguntas, programada para30 minutos, duró más de hora y media. Todas las preguntasmostraban la vivacidad de esas mentes, pero hubo una que mepuso a temblar: ¿por qué moja el agua?, me dijo una niña de 12años. Echaron a reír sus compañeros y les dije que nunca mehabían preguntado eso, y francamente la respuesta no es paranada sencilla. En la tarde fui a otra escuela en la que un niño dela misma edad me preguntó lo mismo. Por la noche estuve enuna reunión del Convenio Andrés Bello, en un elegante lugar,recinto de este programa internacional de alto nivel, con perso-

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1 Memorias del primer concurso Leamos La Ciencia para Todos, Colombia2002-2004, Fondo de Cultura Económica, Bogotá.

2 Nohora Consuelo Aldana, comunicación personal, febrero de 2005.

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nas mayores. Cuando comenté mis experiencias de ese día y lasoltura con la que los niños preguntan cosas tan difíciles como“¿por qué moja el agua?”, una señora me dijo que ella lo iba apreguntar, pero le dio pena porque le había parecido tonto, yahora se daba cuenta de que no lo era, y que hace falta la inge-nuidad de los niños para que el conocimiento avance.

Mis lectores, la mayoría entre 12 y 19 años, me han hechoésa y más preguntas, que esta edición revisada pretende recogery responder. En primer lugar, se ha querido clarificar aquellosaspectos que con más frecuencia me han señalado, por escritoen los trabajos de los concursos, y verbalmente en las pláticas.

Algo que he descubierto en este tiempo es que no basta conmeditar sobre qué es el agua, hay que contemplarla en toda laamplitud de nuestro planeta. Es fundamental entender la inter-dependencia del uso del recurso, adquirir una visión global delagua, para comprender que los abusos que se cometen en unsitio repercuten en otras partes. Ello lleva a hablar un poco depolítica, pues las soluciones no son solamente técnicas. Estabaen Hermosillo, Sonora, en el noroeste de México, en un pro-grama de radio que tiene la Universidad Tecnológica de allá.Es un lugar de mi país con grandes carencias de agua, aunquecon una amplia zona costera. Se debatía sobre un proyecto desuministro de agua con tintes políticos y me preguntaron miopinión. Sobre el proyecto en particular no quise hablar, pero sídiscutimos la implicación que tiene el tema del agua en la polí-tica, y creo que esto debe hacerse. Es por ello que decidí incluirestos aspectos delicados pero fundamentales.

En 2001, el Fondo abrió una nueva categoría del concursopara las Universidades Tecnológicas, en la que los jóvenes cons-truyen un prototipo funcional a partir de las ideas que tomande la lectura de uno de los libros de la serie.

Es motivante ver la creatividad de esas mentes, con la queplasman ideas en desarrollos tecnológicos. He visto trabajossobre la purificación del agua y el aprovechamiento de aguas

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pluviales. Recientemente, en Villahermosa, unos grupos con-sideraron unir sus fuerzas para hacer desarrollos complejos,en donde unos se enfocaban en la tecnología del agua y otros ensistemas de control para mejorar el rendimiento. En todos lostrabajos, y en todas las intervenciones de mi joven auditorio, henotado una enorme preocupación por entender más al aguapara cuidarla. La Comisión Nacional del Agua marca comouna estrategia general para mejorar la administración del re-curso la toma de conciencia. Esto existe muy vivamente en lajuventud. El libro, las pláticas y los concursos han sido unmedio de comunicación para debatir estos temas.

El libro ha sido reestructurado. Los capítulos I y II son igua-les a los de la edición anterior, con actualización e inclusión deunos temas. En el capítulo III amplié la historia de cómo ha lle-gado el agua a las ciudades y cómo se ha desalojado; el tema delagua en la Ciudad de México fue reducido en datos pero heconservado la narración de cómo hemos logrado deteriorarnuestro hábitat y añado la historia paralela de Bogotá, no sóloporque le tengo un profundo afecto a esa ciudad, sino porquecreo que ejemplifica problemas que la Ciudad de México no tie-ne (como la contaminación del río). El capítulo IV es el que fuemás profundamente rehecho: los problemas sobre el agua, comola posesión del recurso, el agua y la salud, y las cuestiones econó-micas y políticas subyacentes, que me parecen muy importan-tes, pues el debate sobre el agua va por este lado. Finalmente, elúltimo capítulo, que es nuevo y tiene cierto grado de especula-ción, pretende hacer ver que el Universo está lleno de agua.

Con el propósito de conservar el libro en un tamaño ade-cuado, eliminé cuadros que no creo que añadan mayor infor-mación. A cambio he incluido más referencias como notas apie de página para que el lector interesado pueda acudir a lasfuentes, con las que se remite a mucha más información.

Retomo, pues, el Preludio del libro original para presentar,sin más, a ese maravilloso elemento.

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PRELUDIO

Escribir un libro constituye toda una aventura que nopodría yo poner en palabras (como no sean las del libro mismo).

Primero, se escoge un tema, algo que tenga uno que decir,se medita sobre él y se recoge la información para exponerlo.

El agua: es todo un tema.De pronto se descubre que existen montañas de ideas y

libros y artículos y cosas que uno mismo ha pensado. Luegoviene escribirlo, ponerlo en unas páginas blancas que lo mirana uno en forma aterradora.

Pasado el tiempo —mucho tiempo—, los escritos unay otra vez borroneados empiezan a tomar forma. Como la tie-rra, que al moverse arroja de su seno las piedras, el escrito vaadquiriendo figura; sale lo inútil, lo que sobra.

Al terminar —todo debe en algún momento terminarse—,quedan muchas cosas que todavía se antoja decir, pero si no setermina sería cosa de no acabar nunca.

Conocer el agua es amarla; más que de tierra somos deagua, así que conocerla es saber de qué formamos parte. El aguaestá ahí para nuestro uso, que más bien es abuso por unos y faltade uso por otros.

De lo que trata este trabajo es de la ciencia del agua, unpoco más de dónde está y cuánta hay, cómo llega y cómo se vade las ciudades. La lista de los grandes problemas del siglo xxicomprende, en los primeros lugares, la calidad del agua y la

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cantidad (cada vez más menguante) que está disponible paramantener nuestra biosfera. Éste es el principal cambio respectoa la edición anterior, pues quiero que el lector se quede con unaidea tan clara como sea posible. El libro está escrito para com-prender al agua, así que me he preocupado más por las des-cripciones y las ilustraciones que por otra cosa: ni es completoni es profundo, no pretendo llenar de datos al lector sino des-pertar su sentido crítico hacia ella y motivarle a seguir leyendo.

Empiezo, pues, con el agua.

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I. El agua, ¿qué cosa es?

agua (del latín aqua); femenino.1. f. Sustancia cuyas moléculas están formadaspor la combinación de un átomo de oxígeno ydos de hidrógeno, líquida, inodora, insípida eincolora. Es el componente más abundante dela superficie terrestre y, más o menos puro, for-ma la lluvia, las fuentes, los ríos y los mares; esparte constituyente de todos los organismosvivos y aparece en compuestos naturales.

2. f. Licor que se obtiene por infusión, diso-lución o emulsión de flores, plantas o frutos, y seusa en medicina y perfumería. Agua de azahar,de Colonia, de heliotropo, de la reina de Hun-gría, de rosas.

(Diccionario de la Real Academia Española,avance de la 23ª edición, 2004.)1

Siguen 104 referencias2 a otros tantos vocablos del diccionarioque aparecen en conjunción con la palabra agua. Tambiénvarios matices idiomáticos relacionados con el agua y expresio-nes que la invocan, por ejemplo: “¡agua va!” (o, más reciente-

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1 Puede consultarse en Internet: h ttp://buscon.rae.es/diccionario/drae.htm2 En la primera versión del libro citaba 52 referencias; en estos años en el diccio-

nario se han recogido otras tantas, muestra del aumento del interés por el tema.

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mente, “aguas”), con la que se avisaba a los transeúntes cuandodesde alguna casa iban a echar a la calle agua o inmundicias.

Otras expresiones, divertidas y sabias, son “ahogarse en unvaso de agua” (afligirse por motivos triviales), “coger el agua enun cesto” (trabajar en vano), “caer como el agua de mayo” (serbien recibido), “echar agua al vino” (dulcificar la actitud), o“más agua a los frijoles” (para que alcancen), “echar un jarro deagua fría” (desalentar), “estar con el agua al cuello” (sumamen-te apurado), “hacérsele a uno agua la boca” (ante algo delicio-so), “llevar toda el agua a su molinito” (una persona que todolo usufructúa en su provecho), “más claro que el agua” (algoevidente), “nadar (o navegar) entre dos aguas” (contemporizarcon dos opiniones o tendencias opuestas), “parecerse como dosgotas de agua” (ser idénticos), etcétera.

Aquí no se trata de ampliar el conocimiento lexicográficoarriba resumido, cosa por otro lado para mí imposible de hacer,pues pocos temas me vienen a la cabeza sobre los que más pue-da escribirse. Además, no soy un experto ni con ese espírituemprendí este trabajo. Mi propósito es poner al alcance del lectoruna información que se antoja comunicar: el agua es el elemen-to más maravilloso que conozco y, con un poco de las variascosas que diré, espero despertar su curiosidad para investigaraún más sobre este fascinante campo.

Tales de Mileto, el filósofo griego del siglo vi a.C., afirmóque el agua era la sustancia original, de la cual todas las demás(tierra, aire y fuego) estaban formadas. Anaximandro, unosaños más tarde, y otros filósofos después, concluyeron que másbien hay una cierta proporción de fuego, aire, tierra y agua enel mundo, que cada uno lucha por extender su imperio y que sepresenta la necesidad natural de restablecer el equilibrio. Laconsideración de Tales lleva mucha verdad en el sentido de queen todo hay agua; de hecho, Isaac Newton, en el siglo xvii,escribió su tratado De Natura Acidorum, en donde sostenía quetodo cuerpo podría ser reducido a agua.

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En el agua se originó la vida y de ella sigue dependiendo.Esto, por cierto, sucede porque el agua es una sustancia com-pletamente fuera de lo común: es líquida en condiciones nor-males, cuando “debería” ser gaseosa, y su forma sólida flotasobre su forma líquida, cuando “debería” ser al revés; su formalíquida semeja más un sólido que un líquido ordinario. Cuan-do se congela se forma el hielo, o mejor dicho, alguno de loshielos, pues hay nueve distintos. ¡Vaya lío!

Con la excepción de productos exóticos, el agua es el mejordisolvente que existe (de sólidos, de líquidos y de gases). Si elagua no fuere así no podría sustentar la vida, pues gracias a estapropiedad conduce los nutrientes a los seres vivos y elimina susdesechos; además, lleva el oxígeno a los seres acuáticos.

El 71% de la superficie de nuestro planeta está cubierto porella; millones de toneladas, en forma de vapor, flotan en la atmós-fera y sin embargo grandes regiones terrestres carecen de ella.

Los seres vivos moran inmersos en el agua o en el aire. Ensu interior son, en gran medida, agua: en el agua se originó lavida y de ella sigue dependiendo.

La enorme presión de la actividad humana sobre la dispo-nibilidad de este recurso en los asentamientos humanos, loscentros industriales y los turísticos, y en las zonas agrícolas,exige de un gran esfuerzo para proveerla en la cantidad y con lacalidad adecuada. El consecuente problema de las aguas resi-duales es de magnitud comparable.

¿Qué es el agua?, ¿cómo existe en la naturaleza y cómo esutilizada por los seres vivos? ¿Cómo llega y cómo sale de lasciudades? Conocer este elemento es necesario para apreciarlo,conservarlo y no deteriorarlo.

Es por las propiedades del agua, en particular por su grancapacidad de disolver otras sustancias, que es tan fácil maltra-tarla… hacerla inservible para la vida.

Para iniciar nuestra exploración y descubrir sus curiosida-des debemos tomar un poco de agua y jugar con ella.

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I.1. Algunos experimentospara conocerla

El agua existe en nuestro mundo en tres formas: sólida, líquiday gaseosa. Un elemento tan importante para la vida merece unnombre para cada presentación: el sólido es el “hielo”; el líqui-do es “agua”, así, nada más; y el gas es “vapor”, aunque las tresformas son químicamente la misma cosa.

En la naturaleza existe un cambio continuo entre cada for-ma (o “fase”, como se le llama científicamente) del agua. Cuan-do llueve, el vapor se precipita en forma de líquido y cuando

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Figura I.1. a) El hielo exhibe las líneas trazadas por el gas que escapaen el proceso de solidificación. b) El vapor atmosférico se condensa enlas mañanas sobre las superficies frías, como el cristal de un automóvil.c) El líquido se evapora al dar los rayos del Sol sobre el tejado húmedo.

Las tres formas del agua están presentes en nuestra vida diaria.

a)

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b)c)

b)

c)

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graniza, el líquido, en su descenso a la Tierra, toma la fase sóli-da. Cuando nieva privan unas condiciones de humedad y detemperatura del aire tales que el vapor se precipita como sóli-do, en un proceso que los físicos llaman sublimación (en estecaso, inversa). Cuando hace mucho calor el agua líquida se eva-pora. En la naturaleza este continuo cambio es llamado el ciclohidrológico, al que pasaremos un poco más tarde.

El primer experimento que podemos hacer con el agua eshervirla; observemos con atención: el recipiente ideal es uno devidrio (cuide que sea resistente al fuego), pues así se podráobservar el fenómeno por todos los lados. Al poco rato de pues-ta en el fuego, la masa cristalina del agua empieza a enturbiarse,debido a que las capas inferiores al calentarse se deslizan haciaarriba y dejan caer a las superiores, que son más frías y pesadas.El movimiento, de tipo circular, se llama convectivo y sucedetambién en la atmósfera; por el mismo motivo las luces distan-tes parecen parpadear.

Más tarde empiezan a formarse burbujas, producto deldesprendimiento de los gases disueltos en el agua (principal-mente aire). El proceso se conoce como desgasificación.

Ya a punto de entrar en ebullición se forman borbotones,combinación de uno y otro efecto (convección y desgasifica-ción). Si dejamos hervir el agua por un buen rato, ésta se en-turbia, pues las sales que contiene disueltas se concentran en ellíquido que queda. En resumen, el agua se mueve verticalmen-te por efecto del calentamiento, contiene gases disueltos, queson evidentes al desprenderse por causa del aumento de tem-peratura y, como también contiene sales que al hervir quedandisueltas en el líquido, es de suponer que el vapor estará librede ellas. Esto último tiene gran importancia tecnológica, pueses una manera simple de obtener agua potable de la salada(que no lo es). Que el agua tiene movimientos convectivos y,sobre todo, que contiene oxígeno disuelto, es muy importantepara la sustentación de la vida acuática. La capacidad del agua

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Figura I.2. El fenómeno tan frecuente de “hacer hervir el agua”, vistocon detenimiento, muestra todos los procesos que suceden: a) las turbu-lencias por el calentamiento, b) el desprendimiento de los gases disueltos

y, finalmente, c) la ebullición.

a)

b)

c)

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de disolver y transportar sales es lo que la hace indispensablepara todo tipo de vida; el contenido de sales, sin embargo, debeestar comprendido dentro de ciertos límites, pues en excesorompe el equilibrio celular y puede extraer las sales de las célu-las y llegar a matarlas, paradójicamente, deshidratándolas.

Ahora juguemos con el hielo. Esta fase tiene interesantespropiedades; la más espectacular es que el líquido aumenta suvolumen al congelarse. La prueba más sencilla es observar cómoel hielo desborda el nivel en una hielera (de las que hacen“cubitos” en el refrigerador). El aumento de volumen es tangrande y la presión ejercida es tan intensa que una botella cerra-da dejada en el congelador puede estallar (experimento peli-groso y no recomendable). Al aumentar el volumen del aguacongelada su densidad disminuye y por esto el hielo flota; si

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Figura I.3. Cuando el agua líquida se solidifica, aumenta su volumendebido a la manera como se conglomeran las moléculas. Esto se puede

notar en una hielera.

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ello no sucediese, los lagos y estanques se congelarían del fondoa la superficie, eliminando toda la vida acuática. La presiónejercida por el hielo al expandirse puede romper un barco atra-pado en los hielos del Ártico.

Otro fenómeno interesante es el del rehielo. Tomemos uncubo de hielo y coloquémoslo en la boca de una botella. Pormedio de un alambre delgado (lo más posible), suspendamosdos objetos pesados, por ejemplo dos tuercas, colgando a unoy otro lado del cubo. La presión que ejerce el alambre sobre elhielo hará que éste se hunda, pero al ir pasando, el hielo se con-gelará de nuevo, de suerte que el alambre atravesará el cubo yéste al final quedará intacto. Aunque al pasar el alambre fundeal hielo, como la temperatura se mantiene constante, el líquidose vuelve a solidificar.

El agua tiene una curiosa estructura microscópica: a dife-rencia de un líquido normal, las moléculas poseen una particu-lar tendencia a agruparse en una especie de “redes”. El siguienteexperimento pone esto en evidencia: tomemos un vaso y llené-moslo hasta el borde, cuidando de no derramar una gota. Consumo cuidado dejemos caer clips en el seno del agua. La super-ficie empezará a crecer, rebasando el nivel de la boca sin derra-marse, mostrando cómo el agua se adhiere al vaso. La explicaciónes la fuerte cohesión de las moléculas del agua. Ahora tomemosel vaso, esta vez sin llenar y, con cuidado, depositemos el clip enla superficie: a pesar de su peso, flotará. La razón es la misma.Una variedad interesante de este experimento es realizarlo conagua caliente; entre mayor sea la temperatura más difícil seráel experimento debido a que la cohesión molecular disminuye.

Otra forma de disminuir la cohesión molecular del agua espor la adición de un detergente: hay insectos que pueden cami-nar por el agua aprovechando el efecto de cohesión. Si captura-mos uno de estos bichos, lo ponemos a caminar en la superficiedel agua dentro de un frasco y añadimos detergente, llega unmomento en que la pobre criatura se hundirá como una piedra.

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Figura I.4. La gran tensión superficial del agua se manifiesta en el soporte que da a una araña o a un clip flotando.

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Si tratamos de repetir los anteriores experimentos con otrolíquido, por ejemplo alcohol, encontraremos que no es tanfácil: la cohesión de las moléculas es mucho menor.

Si tomamos dos pedazos de vidrio, mojamos sus caras inte-riores y luego los unimos, será virtualmente imposible separar-los sin deslizarlos, pues la fuerza que se requeriría para retirarlossi jalamos perpendicularmente es muy grande; si se dejan secarpodrán separarse sin dificultad: la cohesión de las moléculasdel agua actúa como fuerza sujetadora.

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Figura I.5. La tensión superficial permite que dos lápices se peguen.

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Si introducimos un tubo delgado en un recipiente con agua,ésta “trepará” por dentro de él; ¿la razón?, una combinación dela cohesión de las moléculas con su adhesión a las paredes deltubo: las fuerzas de adhesión entre las moléculas del tubo y lasdel agua atraen a éstas a las paredes del tubo y ello da una cur-vatura a la superficie del agua. Pero esta forma requiere másenergía que una superficie plana, así que la tensión superficialse encarga de contraer la superficie. El proceso se repite hastaque el peso de la columna de líquido impide que siga ascendien-do (por ello el experimento es más fácil cuanto más delgado seael tubo).

Las anteriores experiencias ponen de manifiesto algunas delas peculiares propiedades del agua que, más adelante, veremoscon mayor detalle. El mensaje de este capítulo es que el agua noes tan común y corriente como a veces parece.

I.2. Lo que se han preguntadolos científicos

Los primeros pensadores reconocieron pronto que el agua esúnica. Aristóteles la incluyó entre los cuatro elementos básicos,junto con la tierra, el aire y el fuego. Así, como elemento, fueconsiderada hasta el siglo xviii, cuando la tierra y el aire tam-bién dejaron de ser “elementos” y la humanidad reconoció queestaban compuestos de complejas mezclas de especies quí-micas. Por su parte, el fuego es una manifestación de la activi-dad química, no es otro elemento. Cupo el honor, en 1781, alcientífico británico José Priestley de sintetizar al último de los ele-mentos aristotélicos, demostrando que, al igual que los dos primeros, también era una mezcla de especies químicas. Anto-nio Lorenzo de Lavoisier en Francia y Enrique Cavendish enInglaterra, lograron descomponer el agua en sus dos com-ponentes: “aire ordinario” (oxígeno) y “aire inflamable” (hidró-

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geno), estableciendo así los primeros pasos para su estudiocientífico.

Desafortunadamente, la curiosidad científica, como todoen esta vida, tiene sus límites y, siendo el agua un elementoomnipresente, se concluyó que poco más había que conocerle;así, el tema pasó prácticamente al olvido para los grandes cien-tíficos del siglo xix y los de principios del xx. Por ejemplo, enla clásica teoría de Debye y Huckel para interpretar las observa-ciones sobre las soluciones electrolíticas, es decir, aquellas endonde los sólidos disueltos adquieren cargas eléctricas, casinada del esfuerzo teórico se dirige al agua, a la que se tratameramente como un medio en el que sucede la disolución y sela caracteriza por una constante; esta teoría, no obstante, estácasi completamente basada en datos de soluciones acuosas.

La realidad física es otra: el agua es un líquido extremada-mente complejo, tanto así que mucha de la dificultad para elestudio de las soluciones deriva de que el disolvente más acce-sible es precisamente el agua, que, lejos de ser un simple medioque pueda caracterizarse por una constante, interactúa tanfuertemente con los solutos, que sus características deben ne-cesariamente ser tomadas en cuenta.

Las propiedades del agua difieren mucho de las de losdemás líquidos; es demasiado “sólida” para ser un líquido ordi-nario. En 1891, H. H. V. Vernon postuló que las moléculas deagua se adherían unas a otras, confiriendo al líquido altas densi-dades. Guillermo Roentgen, descubridor de los rayos X, inves-tigó las propiedades del agua, y aventuró en 1892 explicacionescualitativas basadas en suposiciones moleculares. No obstante,ninguno de estos intentos despertó mayor interés en la comu-nidad científica. En 1933 dos grandes investigadores de loslíquidos, Juan Bernal y Roberto Fowler publicaron un intere-sante y hoy clásico artículo proponiendo el primer modeloplausible del agua líquida, en el que se sientan las bases de losmodernos estudios sobre el tema. En años subsecuentes se

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empezaron a medir con mayor sistematicidad sus propiedades.En 1940, N. E. Dorsey publicó una monografía intitulada Pro-piedades de la sustancia agua ordinaria, en la que describe lostrabajos de los anteriores 50 años y registra todas las anomalíasque exhibe este líquido.

Por el resto de esta década hubo mayor actividad científicaalrededor del “agua ordinaria”: se investigaron sus propiedadesestructurales por medio de rayos X y luz infrarroja, así comopor la transmisión de ondas sonoras. Se reconoció que lasinteracciones entre el medio acuoso y los solutos son fuertes yse inició la interpretación en términos de las ligaduras entre loshidrógenos y el oxígeno que forman la molécula del agua. Ladécada de los años cincuenta vio surgir un gran número demodelos fisicoquímicos; por fin, en los sesenta, el estudio delagua empezó a ser un campo aparte: se reconocieron estructu-ras extrañas, como asociaciones de moléculas en cúmulos den-tro del seno del líquido; se investigaron con mayor profundi-dad las fuerzas moleculares que generan los hidrógenos delagua y cómo afectan éstas las propiedades observables.

Fue también en esta década cuando se formalizaron losestudios fisicoquímicos del agua, especialmente en el campo dela teoría de las soluciones. Así se empezaron a relacionar lasobservaciones macroscópicas con la interpretación basada enlas teorías microscópicas. Ello condujo a W. Kauzmann a suge-rir un nuevo enfoque al estudiar el papel del agua en la confor-mación de las proteínas, lo que llamó la atención de los bioquí-micos al peculiar líquido en el cual se produce la vida.

Los primeros modelos basados en las consideracionesmicroscópicas de la mecánica estadística3 fueron publicadospor G. Nemethy y H. A. Scharega a principios de los años sesen-

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3 Por medio de la mecánica estadística puede analizarse el comportamiento degrandes cantidades de partículas utilizando métodos basados en la teoría de la pro-babilidad. Lo interesante de este enfoque es que se estudian fenómenos físicos utili-zando muy pocas hipótesis.

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ta, y con ellos se realizó el primer intento de fincar una basecuantitativa en lo que hasta entonces había sido un camino lle-no de hipótesis empíricas.

El advenimiento de las modernas computadoras permitióabordar el estudio de la materia siguiendo nuevas rutas. Pormedio de complejos programas de cómputo basados en la me-cánica cuántica, llamados métodos ab initio (de principio), sehan estudiado las interacciones entre las moléculas de agua,investigando pares y tríos de moléculas. Con ello se ha alcanza-do una mejor comprensión de la forma en que se conglomeranlas moléculas y especialmente cómo influye la fuerte interac-ción entre los hidrógenos.

La ciencia moderna ha permitido caracterizar las propieda-des fundamentales del agua con bastante precisión; se conocebien cómo es y cómo interactúa con otros materiales. Ello hapermitido desarrollar aplicaciones tecnológicas de gran signifi-cado tanto para la vida diaria (acarreo, purificación y distribu-ción de este preciado líquido en las ciudades) como para diver-sos procesos industriales.

Ahora las interrogantes van sobre fenómenos mucho máscomplejos: el papel del agua en el control global del clima. Enestos estudios intervienen disciplinas complejas, como la teoríadel caos, y sus predicciones aún son muy aproximadas y llenas dehipótesis empíricas, como lo eran las explicaciones sobre lanaturaleza del agua en los años sesenta. Lo interesante es quelas sutiles propiedades del agua, que le hacen ser como es, son lasque determinan que este compuesto en particular, y no otro,juegue tan importante papel. El agua será un elemento comúnen nuestro planeta, ¡pero sus propiedades nada tienen decorriente!

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I.3. Ese extraño elemento,tan común y tan poco corriente

El agua es la sustancia más extraordinaria. Casi todas sus pro-piedades parecen encontrarse al revés: es un líquido a tempera-tura ambiente cuando debería ser un gas; su forma sólida (hie-lo) flota sobre su forma líquida; lejos de parecerse a un líquidonormal en el que sus moléculas se mueven con mucha inde-pendencia, en el agua existe un cierto orden colectivo, es decir,las moléculas se “pegan” unas a otras y ello le confiere valoresextremadamente altos en su viscosidad, tensión superficial ycalores latentes de evaporación y solidificación. El agua disuel-ve una gran variedad de sólidos, pero no reacciona química-mente con ellos; por eso pueden purificarse las aguas contami-nadas, aunque a expensas de mucha energía.

En realidad poco se pone uno a meditar sobre estas discre-pancias entre lo que es y lo que “debería” ser el agua, quizá porlo común de esta sustancia. Adentrándose un poco en la cienciadel agua, uno descubre que las sutiles interacciones molecula-res son las responsables de tan curioso comportamiento; resul-ta que es la particular asociación de dos átomos de hidrógenocon uno de oxígeno lo que se traduce en las peculiaridades delagua; tal cosa no sucede con la molécula de ácido sulfhídrico, dosátomos de hidrógeno y uno de azufre, que, desde el punto devista químico, podríamos considerar una molécula “hermana”de la del agua.

En efecto, el ácido sulfhídrico es perfectamente “normal”desde todos los mismos puntos de vista por los que llamamos“anormal” al agua:4 es gas a temperatura ambiente, su formasólida es más densa que su forma líquida y el líquido poseemuy poca estructura.

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4 En realidad, el agua solamente es anómala a temperaturas y presiones bajas,pero puesto que en esas condiciones vivimos, para efectos prácticos no haré dis-tinción.

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Existen muchas y muy refinadas teorías para explicar suspropiedades: algunas pueden hacerlo con muchas de ellas peroninguna con todas.

Hay dos grandes caminos para investigar la materia: la teo-ría microscópica y la teoría macroscópica, llamada tambiénfenomenológica. La teoría microscópica da alguna explicaciónsobre el comportamiento de la materia, pero requiere de con-ceptos y matemáticas complicadas. La termodinámica macros-cópica ayuda mucho pero, aunque muy elegante, no permiterealizar cálculos detallados, así que para entender todas las pro-piedades hay que echar mano de una y de otra.

El estudio de las propiedades fisicoquímicas es importanteporque esclarece muchos de los misterios sobre el comporta-miento de esta nada común sustancia. La investigación sobre lanaturaleza molecular ha mostrado que una de las principalesclaves, quizás la más importante, es la ligadura de hidrógeno.

El agua está formada por tres átomos, dos de hidrógeno (elelemento más ligero) y uno de oxígeno, dispuestos en un ángu-lo de 105 grados, con el oxígeno en el vértice; el ángulo no varía,ya esté la molécula formando parte de un sólido, un líquido oun gas. La distancia entre el átomo de oxígeno y uno de los dehidrógeno es de 0.96 ángstrom (1 ángstrom es igual a un cienmillonésimo de centímetro).

Los átomos están formados por un núcleo que lleva prácti-camente toda la masa del átomo, posee carga eléctrica positivay está rodeado por una nube de electrones de carga negativa.Para asociarse, los átomos forman o ceden electrones hasta queadquieren la configuración más estable.

En una molécula de agua el oxígeno se liga con dos hidró-genos. El hidrógeno es el elemento más ligero; se halla formadopor una sola partícula en el centro (un protón) y un electrónque lo rodea, así que al unirse el oxígeno a los hidrógenospasan dos cosas: los electrones forman una nube alrededor delos tres núcleos, uniéndolos, pero los dos núcleos de hidrógeno

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Oxígeno

Hidrógeno

105°

Hidrógeno

a)

b)

H H

O

H H

O

H H

O

H H

O

H

O

Figura I.6. La fórmula química del agua es H2O, que quiere decir quedos átomos de hidrógeno se ligan a uno de oxígeno formando un ángu-lo de 105°, como se muestra en a). Varias moléculas de agua se asocian

para formar un tetraedro como se aprecia en b).

a)

b)

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se repelen. El resultado es que se forma el ángulo referido de105 grados con el cual la molécula completa alcanza la máximaestabilidad.

La nube electrónica, por su parte, adquiere la forma que semuestra en la figura I.7, que puede imaginarse contenida den-tro de un cubo, con el oxígeno en el centro, los hidrógenos enlos vértices opuestos de una cara y unas protuberancias que seproyectan en la cara opuesta, que son las nubes electrónicas.Estas nubes atraen a los átomos de hidrógeno de otra moléculade agua y dan lugar a lo que se conoce como una ligadura dehidrógeno.

No es el agua la única molécula que tiene ligaduras dehidrógeno: el amoniaco, el ácido fluorhídrico y los alcoholes

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Figura I.7. Los átomos tienen unas nubes de electrones que los rodean;al formarse la molécula de agua, estas nubes engloban los tres átomosdando lugar a la forma caprichosa que se muestra en la figura. Éste esel origen de la ligadura de hidrógeno, responsable de las propiedades

del agua.

Oxígeno

Hidrógeno

Hidrógeno

( + )

( - )

105°

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también la tienen. Lo que parece ser único en la estructura delagua es que las moléculas fácilmente se aglomeran en redes tri-dimensionales, con muchos huecos, cuya geometría dependedel ángulo que forman los tres átomos componentes. Esto leconfiere gran cohesión.

Esta estructura, por cierto, se mantiene en las fases líquiday sólida. Para un físico tal información es muy importante,pues puede relacionarla con las propiedades que observamosdel agua. Por ejemplo, si en vez de estar los átomos dispuestos enun ángulo de 105 grados estuvieran alineados, el agua no seríatan buen solvente como en realidad lo es, y si así fuera, entreotras cosas no podría acarrear los nutrientes en los seres vivos.Si no tuviera la estructura que tiene no podría almacenar elcalor en tan grandes cantidades como lo hace (la propiedad sellama capacidad calorífica) y así no serviría para regular latemperatura de los seres que vivimos inmersos en un medio deaire, en donde las variaciones externas de temperatura son tanaltas.

Los átomos de los extremos (los hidrógenos) interactúanfuertemente con las moléculas de agua vecinas. En su fase ga-seosa las moléculas están muy separadas para sentir entre ellasun efecto muy importante; así, encontramos normalmentemoléculas aisladas y ocasionalmente dos moléculas unidas,pero en la fase líquida y en la sólida estas interacciones sonmuy importantes.

Al congelarse, las moléculas de agua forman rápidamenteestructuras ordenadas. Bajo la presión atmosférica ordinaria,cuatro moléculas se asocian en la forma de un tetraedro, lasque a su vez conforman una estructura de anillos hexagonales.

Ésta, por cierto, es una estructura muy poco compacta (conmuchos huecos); es por ello que el agua sólida es menos densaque el agua líquida y por eso el hielo flota en el agua ordinaria.

Esta peculiar estructura tan fofa rige la variación que tienela densidad del agua. Como en cualquier sustancia, la densidad

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cambia con la temperatura, pero de una manera singular. A 4° C,muy cerca del punto de congelación, la densidad del agua alcan-za su máximo valor. Esto no se observa en ningún otro líquidocomún, ni tampoco en los sólidos comunes. Sucede en sustan-cias de estructura elástica semejantes al hule.

Por esta misma razón, las masas de agua se congelan de lasuperficie hacia abajo. No quisiera dejar pasar esta observaciónsin reflexionar un poco sobre ella. Si el agua no fuese así, losocéanos se congelarían en las zonas frías del fondo hacia arriba.Ello haría que durante el verano se deshelaran solamente lascapas superficiales del mar; el fondo seguiría congelado y frío.Con el tiempo, cada vez menos agua fluiría hacia los climastemplados e iría perdiendo calor. Al fin todos los mares se con-vertirían en hielo.

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Figura I.8. Modelo del agua en el que se ve el gran orden que prevalecedebido a las ligaduras de hidrógeno.

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La expansión del agua al congelarse tiene otro papel muyinteresante en la naturaleza. En su forma líquida, penetra enlos pequeños intersticios de las rocas por un efecto que discu-timos en el capítulo de experimentos con el agua, cuando semencionó que asciende por un tubo pequeño introducido enella y que se llama presión capilar y es consecuencia de su altatensión superficial. Cuando se congela, ejerce presiones tanaltas que llega a fracturar las rocas, y de esta manera las con-vierte en tierra.

En su fase líquida, la tenaz interacción entre las ligadurasde los hidrógenos hace que se preserve un poco de la estructu-ra del sólido; a ello me refería al inicio de este apartado con laidea del “orden colectivo”. Siendo así, “romper” la superficie dellíquido es difícil, como cualquiera que haya caído en una alber-

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Figura I.9. En esta fotografía puede notarse cómo la nieve exhibe la estructura hexagonal del agua.

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ca podrá haberse dado cuenta: ésta es una manifestación de latensión superficial.

La estructura del agua líquida es tan extremadamente orde-nada que la energía que se le suministra al calentarla se “absor-be” por las vibraciones moleculares, aceptando grandes canti-dades de calor antes de elevar su temperatura (que representael movimiento molecular). Inversamente, al perder energía, sutemperatura disminuye lentamente. Esta propiedad se llamacalor latente, que para el agua es muy grande. Las implicacio-nes de este hecho son muchas y muy importantes.

El motor de un automóvil requiere enfriarse porque nopuede aprovechar toda la energía que se libera en la combus-tión de la gasolina. Por cuestiones del diseño, la temperaturano debe rebasar los 80° C, por lo que se utiliza agua que circulaa presión en un circuito cerrado por unos conductos dentro deél; el calor se transmite al agua y es después liberado en el radia-dor, que está construido de tal manera que el agua lo ceda rápi-damente. Si el calor latente del agua no fuese tan grande, ésta seevaporaría y no serviría para controlar la temperatura delmotor. Lo notable es que con tan sólo 17 litros de agua se pue-de mantener operando perfectamente enfriado a un motor porvarias horas.

En la naturaleza, los mares y lagos atenúan los cambios detemperatura y favorecen la vida en su seno.

La enorme capacidad del agua para transportar calor pue-de exhibirse mediante un cálculo sencillo: si un kilómetrocúbico de agua en un océano fluye de una región caliente a otramuy distante que se halla 20° C más fría, la transferencia decalor es de diez billones (10 con doce ceros) de kilocalorías,que es equivalente al calor generado por la combustión de2 millones de toneladas de carbón. José Black fue un científicobritánico del siglo xviii, el primero que se detuvo con gran cui-dado a meditar acerca de esta importante propiedad: la llamó“calor latente”. Puesto que una masa de hielo en un ambiente

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cálido se derrite, ¿cómo es que no lo hacen los glaciares y lasnieves perpetuas? Aunque de hecho hay transformación dehielo (o nieve) en agua, no es súbita, menos aún cuando exis-ten grandes masas de uno u otra. Más aún, Black analizó cómoen el verano puede guardarse un cubo de hielo en “las estruc-turas denominadas cajas de hielo” (los primeros refrigeradoreso “hieleras”), en donde se impide la entrada del aire exterior ypor consiguiente el calor penetra con lentitud. La clave, pues,está en que el hielo tiene la capacidad de absorber grandes can-tidades de calor y que éste pasa a las vibraciones moleculares; alderretirse al fin el hielo, va a la fase líquida, pero con una tem-peratura cercana (aunque un poco más alta) a la del hielo.

Black, en lenguaje claro e intuitivo, lo resume:

Salta a la vista, pues, que el hielo, al derretirse, recibe calor conmucha celeridad; pero el único efecto de dicho calor es mudarloen agua, la cual no es sensiblemente más caliente de lo que era elhielo antes. Si, en seguida de derretido el hielo, se aplica un ter-mómetro a las gotas o chorritos de agua, éste marcará la mismatemperatura que cuando se aplica al hielo mismo, o de haber algu-na diferencia, ella es de tan poca monta que no merece notarse.

Black prosiguió sus experimentos con el agua en ebullicióny pudo observar un fenómeno semejante, de manera que:

[…] el calor absorbido no calienta los cuerpos circundantes,sino que convierte el agua en vapor. En ninguno de los dos casosnos percatamos de la presencia del calor como causa del calenta-miento. El calor está oculto o latente; y yo lo denomino calorlatente.

Los estudios sistemáticos del hielo fueron iniciados en lasegunda mitad del siglo xix por el británico Percibaldo Bridg-man y el alemán Gustavo Tammann. Sus experimentos mos-

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traron que el hielo es una compleja estructura que tiene formasestables y metaestables5 que pueden cambiar de unas a otras.

La mayor parte de la gente habla del hielo refiriéndose a laforma sólida que toma el agua cuando se congela en las condi-ciones normales de un refrigerador doméstico. Empero, en ellaboratorio se producen otras variedades de hielos, aparte delos tradicionales “cubitos”.6

En la figura I.10 se muestra un mapa, o un diagrama defases del hielo, del que existen nueve formas distintas, cada unade ellas con una cristalización peculiar. La razón por la que noobservamos frecuentemente estos hielos es que existen a tem-peraturas muy bajas.

El hielo normal, denominado Ih, tiene una estructurahexagonal, y de él hay una variedad que se llama hielo cúbico oIc, que es una especie metaestable, que ocurre entre los –80° y–120° C. Este hielo cúbico no puede producirse solamentebajando la temperatura a un hielo normal Ih, pues su mismametaestabilidad lo impide; hay que llegar por otro camino:condensando vapor a –80° C. Del hielo IV se sabe muy poco,salvo que es una forma metaestable que puede coexistir con elhielo V.

Otra forma de hielo parece surgir al enfriar agua líquida alvacío (es decir, en ausencia de aire). Lo que se obtiene es hielomás pesado que el agua, aunque su existencia todavía está pordemostrarse.

Como puede observarse en el diagrama, los hielos II, VIII yIX no se encuentran próximos al líquido y por tanto no pue-den producirse a partir de él; han de obtenerse enfriando loshielos III, V, VI o VII a presión, o descomprimiendo a tempe-

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5 Metaestable quiere decir que puede existir, pero que cualquier cambio pequeñodestruye esa estructura; en contraposición, si fuese estable no se alteraría fácilmen-te. Una estructura inestable está prohibida por las leyes de la física.

6 Esto, que parecería una curiosidad del laboratorio, se ha vuelto de actualidad,pues se ha observado que fuera de nuestro planeta el hielo toma alguna de estas formas.

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crédito en interiores: photos.com

El agua102

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“Conocer el agua es amarla, más que de tierra somos de agua, así que conocerla es saber de qué formamos

parte…” De estas frases se sirve el autor para preparar al lector antes de llevarlo a un recorrido por diversos aspectos del vital líquido: los diferentes momentos

del conocimiento humano sobre la naturaleza del agua, sus características fisicoquímicas, su presencia en nuestro planeta —¡incluso en otros lugares

del Sistema Solar!—, el proceso de cambio ecológico debido a la alteración de los mantos acuíferos, entre otros. En esta nueva edición, revisada y

aumentada, se incorporan datos actualizados y un nuevocapítulo sobre el agua en el Universo.

Manuel Guerrero Legarreta estudió física en la Facultad de Ciencias

de la UNAM, y realizó su doctorado en fisicoquímica en el Imperial

College of Science and Technology de Londres. Ha sido maestro

en la UNAM, en la UAM y en el Colegio Nacional de Educación

Profesional Técnica, e investigador y directivo en el Instituto

Mexicano del Petróleo y en el Instituto de Investigaciones Eléctricas.

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