I. EL AGUA, �QU� COSA ES?

agua (del lat�n aqua); femenino.

1. Cuerpo formado por la combinaci�n de un volumen de ox�geno y dos de hidr�geno, l�quido inodoro e ins�pido; en peque�a cantidad incoloro y verdoso en grandes masas, que refracta la luz, disuelve muchas sustancias, se solidifica por el fr�o, se evapora por el calor y, m�s o menos puro, forma la lluvia, las fuentes, los r�os y los mares.

2. Cualquiera de los licores que se obtienen por infusi�n, disoluci�n o emulsi�n de flores, plantas o frutas que se usan en medicina y perfumer�a (agua de azahar, de colonia, de heliotropo, de la reina de Hungr�a, de rosas). (Diccionario de la Lengua Espa�ola, Real Academia Espa�ola.)

SIGUEN 52 referencias a otros tantos vocablos del diccionario que aparecen en conjunci�n con la palabra agua.

Tambi�n varios matices idiom�ticos relacionados con el agua y expresiones que la invocan, por ejemplo "�agua va!" (o, m�s recientemente, "aguas"), con la que se avisaba a los transe�ntes cuando desde alguna casa iban a echar a la calle agua o inmundicias.

Otras expresiones, divertidas y sabias, son "ahogarse en un vaso de agua" (afligirse por motivos triviales), "coger el agua en un cesto" (trabajar en vano), "caer como el agua de mayo" (ser bien recibido), "echar agua al vino" (dulcificar la actitud), o "m�s agua a los frijoles" (para que alcancen), "echar un jarro de agua fr�a" (desalentar), "estar con el agua al cuello" (sumamente apurado), "hac�rsele a uno agua la boca" (ante algo delicioso), "llevar toda el agua a su molinito" (una persona que todo lo usufruct�a en su provecho), "m�s claro que el agua" (algo evidente), "nadar (o navegar) entre dos aguas" (contemporizar con dos opiniones o tendencias opuestas), "parecerse como dos gotas de agua" (ser id�nticos), etc�tera.

Aqu� no se trata de ampliar el conocimiento lexicogr�fico arriba resumido, cosa por otro lado para m� imposible de hacer, pues pocos temas me vienen a la cabeza sobre los que m�s pueda escribirse. Adem�s no soy un experto ni con ese esp�ritu emprend� este trabajo. Mi prop�sito es poner al alcance del lector una informaci�n que se antoja comunicar: el agua es el elemento más maravilloso que conozco y con un poco de las varias cosas que dir� espero despertar su curiosidad para investigar a�n m�s sobre este fascinante campo.

Tales de Mileto, el fil�sofo griego del siglo V a.C., afirm� que el agua era la sustancia original, de la cual todas las dem�s (tierra, aire y fuego) estaban formadas. Anaximandro, unos a�os m�s tarde, y otros fil�sofos despu�s, concluyeron que m�s bien hay una cierta proporci�n de fuego, aire, tierra y agua en el mundo, que cada uno lucha por extender su imperio y que se presenta la necesidad natural de restablecer el equilibrio. La consideraci�n de Tales lleva mucha verdad en el sentido de que en todo hay agua; de hecho, Isaac Newton, en el siglo XVII, escribi� su tratado De Natura Acidorum, en donde sosten�a que todo cuerpo podr�a ser reducido a agua.

En el agua se origin� la vida y de ella sigue dependiendo. Esto, por cierto, sucede porque el agua es una sustancia completamente fuera de lo com�n: es l�quida en condiciones normales, cuando "deber�a" ser gaseosa, y su forma s�lida flota sobre su forma l�quida, cuando "deber�a" ser al rev�s; su forma l�quida semeja m�s un s�lido que un l�quido ordinario. Cuando se congela se forma el hielo, o mejor dicho, alguno de los hielos, pues hay nueve distintos. �Vaya l�o!

Con la excepci�n de productos ex�ticos, el agua es el mejor disolvente que existe (de s�lidos, de l�quidos y de gases). Si el agua no fuere as� no podr�a sustentar la vida, pues gracias a esta propiedad conduce los nutrientes a los seres vivos y elimina sus desechos; adem�s, lleva el ox�geno a los seres acu�ticos.

El 71 por ciento de la superficie de nuestro planeta est� cubierto por ella; millones de toneladas, en forma de vapor, flotan en la atm�sfera y sin embargo grandes regiones terrestres carecen de ella.

Los seres vivos moran inmersos en el agua o en el aire. En su interior son, en gran medida, agua: en el agua se origin� la vida y de ella sigue dependiendo.

La enorme presi�n de la actividad humana sobre la disponibilidad de este recurso en los asentamientos humanos, los centros industriales y los tur�sticos, y en las zonas agr�colas, exige de un gran esfuerzo para proveerla en la cantidad y con la calidad adecuada. El consecuente problema de las aguas residuales es de magnitud comparable.

�Qu� es el agua?, �c�mo existe en la naturaleza y c�mo es utilizada por los seres vivos? �C�mo llega y c�mo sale de las ciudades? Conocer este elemento es necesario para apreciarlo, conservarlo y no deteriorarlo.

Es por las propiedades del agua, en particular por su gran capacidad de disolver otras sustancias, que es tan f�cil maltratarla... hacerla inservible para la vida.

Para iniciar nuestra exploraci�n y descubrir sus curiosidades debemos tomar un poco de agua y jugar con ella.

I.1. ALGUNOS EXPERIMENTOS PARA CONOCERLA

El agua existe en nuestro mundo en tres formas, s�lida, l�quida y gaseosa. Un elemento tan importante para la vida merece un nombre para cada presentaci�n: el s�lido es el "hielo"; el l�quido es "agua", as�, nada m�s; y el gas es "vapor", aunque las tres formas son qu�micamente la misma cosa.

 

 

Figura 1. El hielo exhibe las l�neas trazadas por el gas que escapa en el proceso de solidificaci�n (a). El vapor atmosf�rico se condensa en las ma�anas sobre las superficies fr�as, como el cristal de un autom�vil (b). El l�quido se evapora al dar los rayos del Sol sobre el tejab�n h�medo (c). Las tres formas del agua est�n presentes en nuestra vida diaria.

En la naturaleza existe un cambio continuo entre cada forma (o "fase", como se le llama cient�ficamente) del agua. Cuando llueve, el vapor se precipita en forma de l�quido, y cuando graniza el l�quido en su descenso a la Tierra toma la fase s�lida. Cuando nieva privan unas condiciones de humedad y de temperatura del aire tales que el vapor se precipita como s�lido, en un proceso que los f�sicos llaman sublimaci�n (en este caso inversa). Cuando hace mucho calor el agua l�quida se evapora. En la naturaleza este continuo cambio es llamado el ciclo hidrol�gico, al que seguiremos un poco m�s tarde.

El primer experimento que podemos hacer con el agua es hervirla; observemos con atenci�n: el recipiente ideal es uno de vidrio (cuide que sea resistente al fuego) pues as� se podr� observar el fen�meno por todos los lados. Al poco rato de puesta en el fuego, la masa cristalina del agua empieza a enturbiarse, debido a que las capas inferiores al calentarse se deslizan hacia arriba y dejan caer a las superiores, que son m�s fr�as y pesadas. El movimiento, de tipo circular, se llama convectivo y sucede tambi�n en la atm�sfera; por el mismo motivo las luces distantes parecen parpadear.

M�s tarde empiezan a formarse burbujas, producto del desprendimiento de los gases disueltos en el agua (principalmente aire). El proceso se conoce como desgasificaci�n.

Ya a punto de entrar en ebullici�n se forman borbotones, combinaci�n de uno y otro efecto (convecci�n y desgasificaci�n). Si dejamos hervir el agua por un buen rato, �sta se enturbia, pues las sales que contiene disueltas se concentran en el l�quido que queda. En resumen, el agua se mueve verticalmente por efecto del calentamiento, contiene gases disueltos, que son evidentes al desprenderse por causa del aumento de temperatura y, como tambi�n contiene sales que al hervir quedan disueltas en el l�quido, es de suponer que el vapor estar� libre de ellas. Esto �ltimo tiene gran importancia tecnol�gica, pues es 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 ox�geno disuelto, es muy importante para la sustentaci�n de la vida acu�tica. La capacidad del agua de disolver y transportar sales es lo que la hace indispensable para todo tipo de vida; el contenido de sales, sin embargo, debe estar comprendido dentro de ciertos l�mites, pues en exceso rompe el equilibrio celular y puede extraer las sales de las c�lulas y llegar a matarlas, parad�jicamente deshidrat�ndolas.

Figura 2. El fen�meno tan frecuente de "hacer hervir el agua", visto con detenimiento muestra todos los procesos que suceden: las turbulencias por el calentamiento, el desprendimiento de los gases disueltos y, finalmente, la ebullici�n.

Ahora juguemos con el hielo. Esta fase tiene interesantes propiedades; la m�s espectacular es que el l�quido aumenta su volumen al congelarse. La prueba m�s sencilla es observar c�mo el hielo desborda el nivel en una hielera (de las que hacen "cubitos" en el refrigerador). El aumento de volumen es tan grande y la presi�n ejercida es tan intensa que una botella cerrada dejada en el congelador puede estallar (experimento peligroso y no recomendable). Al aumentar el volumen del agua congelada su densidad disminuye y por esto el hielo flota; si ello no sucediese, los lagos y estanques se congelar�an del fondo a la superficie eliminando toda la vida acu�tica. La presi�n ejercida por el hielo al expanderse puede romper un barco atrapado en los hielos del �rtico.

Figura 3. Cuando el agua l�quida se solidifica aumenta su volumen debido a la manera como se conglomeran las mol�culas. Esto se puede notar en una hielera.

Otro fen�meno interesante es el del rehielo. Tomemos un cubo de hielo y coloqu�moslo en la boca de una botella. Por medio de un alambre delgado (lo m�s posible) suspendamos dos objetos pesados, por ejemplo dos tuercas, colgando de uno y otro lado del cubo. La presi�n que ejerce el alambre sobre el hielo har� que �ste se hunda, pero al ir pasando a través, el hielo se congelar� de nuevo de suerte que el alambre atravesar� el cubo y �ste al final quedar� intacto. Lo que sucede es que el alambre funde el hielo y, como la temperatura se mantiene constante, el l�quido se vuelve a solidificar.

El agua tiene una curiosa estructura microsc�pica: a diferencia de un l�quido normal, las mol�culas poseen una particular tendencia a agruparse en una especie de "redes". El siguiente experimento pone esto en evidencia: tomemos un vaso y llen�moslo hasta el borde, cuidando de no derramar una gota. Con sumo cuidado dejemos caer clips en el seno del agua. La superficie empezar� a crecer, rebasando el nivel de la boca sin derramarse mostrando c�mo el agua se adhiere al vaso. La explicaci�n es la fuerte cohesi�n de las mol�culas del agua. Ahora tomemos el vaso, esta vez sin llenar, y con cuidado depositemos el clip en la superficie: a pesar de su peso, flotar�. La raz�n es la misma. Una variedad interesante de este experimento es realizarlo con agua caliente; entre mayor sea la temperatura m�s dif�cil ser� el experimento debido a que la cohesi�n molecular disminuye. Otra forma de disminuirla es por la adici�n de un detergente: hay insectos que pueden caminar por el agua aprovechando el efecto de cohesi�n. Si capturamos uno de estos bichos, lo ponemos a caminar en la superficie del agua dentro de un frasco y a�adimos detergente, llega un momento en que la pobre criatura se hundir� como una piedra.

Figura 4. El clip puede flotar libremente en la superficie debido a la tensi�n superficial del l�quido. En la antig�edad las br�julas se constru�an con una aguja imantada que flotaba sobre una palangana con agua, aprovechando este fen�meno.

Si tratamos de repetir los anteriores experimentos con otro l�quido, por ejemplo alcohol, encontraremos que no es tan f�cil: la cohesi�n de las mol�culas es mucho menor.

Si tomamos dos pedazos de vidrio, mojamos sus caras interiores y luego los unimos, ser� virtualmente imposible separarlos sin deslizarlos, pues la fuerza que se requerir�a para retirarlos si jalamos perpendicularmente es muy grande; si se dejan secar podr�n separarse sin dificultad: la cohesi�n de las mol�culas del agua act�a como fuerza sujetadora.

Figura 5. La tensi�n superficial se manifiesta en el soporte que ofrece la superficie del agua a los insectos.

Si introducimos un tubo delgado en un recipiente con agua, �sta "trepar�"' por dentro de �l; �la raz�n? una combinaci�n de la cohesi�n de las mol�culas con su adhesi�n a las paredes del tubo: las fuerzas de adhesi�n entre las mol�culas del tubo y las del agua atraen a �stas a las paredes del tubo y ello da una curvatura a la superficie del agua. Pero esta forma requiere m�s energ�a que una superficie plana, as� que la tensi�n superficial se encarga de contraer la superficie. El proceso se repite hasta que el peso de la columna de l�quido impide que siga ascendiendo (por ello el experimento es m�s f�cil cuanto m�s delgado sea el tubo).

Las anteriores experiencias ponen de manifiesto algunas de las peculiares propiedades del agua, que veremos con mayor detalle m�s tarde. El mensaje de este cap�tulo es que el agua no es tan com�n y corriente como a veces parece.

I.2. LO QUE SE HAN PREGUNTADO LOS CIENT�FICOS

Los primeros pensadores reconocieron pronto que el agua es un elemento único. Arist�teles lo incluy� entre los cuatro elementos b�sicos, junto con la tierra, el aire y el fuego. As�, como un elemento fue tratada hasta el siglo XVIII, cuando la tierra y el aire tambi�n dejaron de ser "elementos" y se reconoci� que estaban compuestos de complejas mezclas de especies qu�micas, y que el fuego es una manifestaci�n de la actividad qu�mica, no otro elemento. Cupo el honor en 1781 al cient�fico brit�nico Jos� Priestley de sintetizar al �ltimo de los elementos aristot�licos, demostrando que, al igual que los dos primeros, tambi�n era una mezcla de especies qu�micas. Antonio Lorenzo de Lavoisier en Francia y Enrique Cavendish en Inglaterra lograron descomponer el agua en sus dos componentes: "aire ordinario" (ox�geno) y "aire inflamable" (hidr�geno), estableciendo as� los primeros pasos para su estudio cient�fico.

Desafortunadamente, la curiosidad cient�fica, como todo en esta vida, tiene sus l�mites, y siendo el agua un elemento omnipresente se concluy� que poco m�s hab�a que conocerle, as� que el tema pas� pr�cticamente al olvido para los grandes cient�ficos del siglo XIX y los de principios del XX. Por ejemplo, en la cl�sica teor�a de Debye y Huckel para interpretar las observaciones sobre las soluciones electrol�ticas, es decir, aquellas en donde los s�lidos disueltos adquieren cargas el�ctricas, casi nada del esfuerzo te�rico se dirige al agua, a la que se trata meramente como un medio en el que sucede la disoluci�n y se la caracteriza por una constante; esta teor�a, no obstante, est� casi completamente basada en datos de soluciones acuosas.

La realidad f�sica es otra: el agua es un l�quido extremadamente complejo, tanto as� que mucha de la dificultad para el estudio de las soluciones deriva de que el disolvente m�s accesible es precisamente el agua, que, lejos de ser un simple medio que pueda caracterizarse por una constante, interact�a tan fuertemente con los solutos que sus caracter�sticas deben necesariamente ser tomadas en cuenta.

Las propiedades del agua difieren mucho de las de los dem�s l�quidos; es demasiado "s�lida", para ser un l�quido ordinario. En 1891, H. H. V. Vernon postul� que las mol�culas de agua se adher�an unas a otras, confiriendo al l�quido altas densidades. Guillermo Roentgen, descubridor de los rayos X, investig� las propiedades del agua, y aventur� en 1892 explicaciones cualitativas basadas en suposiciones moleculares. No obstante, ninguno de estos intentos despert� mayor inter�s en la comunidad cient�fica. En 1933 dos grandes investigadores de los l�quidos, Juan Bernal y Roberto Fowler publicaron un interesante y hoy cl�sico art�culo proponiendo el primer modelo plausible del agua l�quida, en el que se sientan las bases de los modernos estudios sobre el tema. En a�os subsecuentes se empezaron a medir con mayor sistematicidad sus propiedades. En 1940, N. E. Dorsey public� una monograf�a intitulada Propiedades de la substancia agua ordinaria en la que describe los trabajos de los anteriores 50 a�os y registra todas las anomal�as que exhibe este l�quido.

Por el resto de esta d�cada hubo mayor actividad cient�fica alrededor del "agua ordinaria": se investigaron sus propiedades estructurales por medio de rayos X y luz infrarroja, as� como por la transmisi�n de ondas sonoras. Se reconoci� que las interacciones entre el medio acuoso y los solutos son fuertes y se inici� la interpretaci�n en t�rminos de las ligaduras entre los hidr�genos y el ox�geno que forman la mol�cula del agua. La d�cada de los a�os cincuenta vio surgir un gran n�mero de modelos fisicoqu�micos; por fin en los sesenta el estudio del agua empez� a ser un campo aparte: se reconocieron estructuras extra�as, como asociaciones de mol�culas en c�mulos dentro del seno del l�quido; se investigaron con mayor profundidad las fuerzas moleculares que generan los hidr�genos del agua y c�mo afectan �stas las propiedades observables.

Fue tambi�n en esta d�cada cuando se formalizaron los estudios fisicoqu�micos del agua, especialmente en el campo de la teor�a de las soluciones. As� se empezaron a relacionar las observaciones macrosc�picas con la interpretaci�n basada en las teor�as microsc�picas. Ello condujo a W. Kauzmann a sugerir un nuevo enfoque al estudiar el papel del agua en la conformaci�n de las prote�nas, lo que llam� la atenci�n de los bioqu�micos al peculiar l�quido en el cual se produce la vida.

En 1962, G. Nemethy y H. A. Scharega publicaron tres art�culos en los que intentaron desarrollar un modelo basado en las consideraciones microsc�picas de la mec�nica estad�stica. Sus m�todos y sobre todo la gran cantidad de par�metros que utilizaron han sido objeto de cr�tica, pero estos trabajos, aparte de mostrar la complejidad de la tarea, constituyen el primer intento de fincar una base cuantitativa en lo que hasta entonces hab�a sido un camino lleno de empirismo.

El advenimiento de las modernas computadoras permiti� abordar el estudio de la materia siguiendo nuevas rutas. Por medio de complejos programas de c�mputo basados en la mec�nica cu�ntica, llamados m�todos ab initio (de principio), se han estudiado las interacciones entre las mol�culas de agua, investigando pares y tr�os de mol�culas. Con ello se espera una mejor comprensi�n de la forma en que se conglomeran las mol�culas y especialmente c�mo influye la fuerte interacci�n entre los hidr�genos.

En la d�cada de los sesenta el agua era ya un tema firmemente arraigado en la investigaci�n cient�fica, pero no se pasaba mucho de ah�, mas a la mitad de esa d�cada el agua salt� a los encabezados de los peri�dicos: sucedi� que el profesor B. V. Deryagin, del Instituto Karpof de Fisicoqu�mica de Mosc�, sorprendi� a la comunidad cient�fica al publicar un hallazgo de una nueva y extra�a forma de agua que fue dada a llamar poliagua. Esta variedad se supon�a que llegaba a tener hasta 40% m�s densidad que el agua ordinaria y que congelaba a -40 grados cent�grados y segu�a siendo estable a los 500 grados. El descubrimiento fue recibido con escepticismo, pero la "comprobaci�n" por instituciones en EUA desat� gran entusiasmo por este compuesto, pues al permanecer l�quida a altas temperaturas la har�a un magn�fico lubricante; adem�s, por su alta densidad podr�a servir como moderador en reactores nucleares.

Todo esto, seg�n se demostr� m�s tarde, fue una mala interpretaci�n de las observaciones, y la poliagua pas� a ser una an�cdota cient�fica más.

I.3. ESE EXTRA�O ELEMENTO, TAN COM�N Y POCO CORRIENTE

El agua es la sustancia m�s extraordinaria. Casi todas sus propiedades parecen encontrarse al rev�s: es un l�quido a temperatura ambiente cuando deber�a ser un gas; su forma s�lida (hielo) flota en su forma l�quida; lejos de parecerse a un l�quido normal en el que sus mol�culas se mueven con mucha independencia, en el agua existe un cierto orden colectivo, es decir, las mol�culas se "pegan" unas a otras y ello le confiere valores extremadamente altos en su viscosidad, tensi�n superficial y calores latentes de evaporaci�n y solidificaci�n. El agua disuelve una gran variedad de s�lidos, pero no reacciona qu�micamente con ellos; por eso pueden purificarse las aguas contaminadas, aunque a expensas de mucha energ�a.

En realidad poco se pone uno a meditar sobre estas discrepancias entre lo que es y lo que "deber�a" ser el agua, quiz� por lo com�n de esta sustancia. Adentr�ndose un poco en la ciencia del agua, uno descubre que las sutiles interacciones moleculares son las responsables de tan curioso comportamiento; resulta que es la particular asociaci�n de dos �tomos de hidr�geno con uno de ox�geno lo que se traduce en las peculiaridades del agua; tal cosa no sucede con la mol�cula de �cido sulfh�drico, dos �tomos de hidr�geno y uno de azufre, que, desde el punto de vista qu�mico, podr�amos considerar una mol�cula "hermana" de la del agua.

En efecto, el �cido sulfh�drico es perfectamente "normal" desde todos los mismos puntos de vista por los que llamamos "anormal" al agua: ¹ es gas a temperatura ambiente, su forma s�lida es m�s densa que su forma l�quida y el l�quido posee muy poca estructura.

Existen muchas y muy refinadas teor�as para explicar sus propiedades: algunas pueden hacerlo con muchas de ellas pero ninguna con todas.

Hay dos grandes caminos para investigar la materia: la teor�a microsc�pica y la teor�a macrosc�pica, llamada tambi�n fenomenol�gica. La teor�a microsc�pica da alguna explicaci�n sobre el comportamiento de la materia, pero requiere de conceptos y matem�ticas complicadas. La termodin�mica macrosc�pica ayuda mucho pero, aunque muy elegante, no permite realizar c�lculos detallados, as� que para entender todas las propiedades hay que echar mano de una y de otra.

El estudio de las propiedades fisicoqu�micas es importante porque esclarece muchos de los misterios sobre el comportamiento de esta nada com�n sustancia. La investigaci�n sobre la naturaleza molecular ha mostrado que una de las principales claves, quiz�s la m�s importante, es la ligadura de hidr�geno.

El agua est� formada por tres �tomos, dos de hidr�geno (el elemento m�s ligero) y uno de ox�geno, dispuestos en un �ngulo de 105 grados, con el ox�geno en el v�rtice; el �ngulo no var�a, ya est� la mol�cula formando parte de un s�lido, un l�quido o un gas. La distancia entre el �tomo de ox�geno y uno de los de hidr�geno es de 0.96 angstrom (1 angstrom es igual a un cien millon�simo de cent�metro).

Los �tomos est�n formados por un n�cleo que lleva pr�cticamente toda la masa del �tomo, posee carga el�ctrica positiva y est� rodeado por una nube de electrones de carga negativa. Para asociarse, los �tomos forman o ceden electrones hasta que adquieren la configuraci�n m�s estable.

En una mol�cula de agua el ox�geno se liga con dos hidr�genos. El hidr�geno es el elemento m�s ligero; se halla formado por una sola part�cula en el centro (un prot�n) y un electr�n que lo rodea, as� que al unirse el ox�geno a los hidr�genos pasan dos cosas: los electrones forman una nube alrededor de los tres n�cleos, uni�ndolos, pero los dos n�cleos de hidr�geno se repelen. El resultado es que se forma el �ngulo referido de 105 grados con el cual la mol�cula completa alcanza la m�xima estabilidad.

Figura 6. La fórmula qu�mica del agua es H₂O, que quiere decir que dos �tomos de hidr�geno se ligan a uno de oxígeno formando un �ngulo de 105�, como se muestra en la figura.

La nube electr�nica, por su parte, adquiere la forma que se muestra en la figura, que puede imaginarse contenida dentro de un cubo, con el ox�geno en el centro, los hidr�genos en los v�rtices opuestos de una cara y unas protuberancias que se proyectan en la cara opuesta, que son las nubes electr�nicas. Estas nubes atraen a los �tomos de hidr�geno de otra mol�cula de agua y dan lugar a lo que se conoce como una ligadura de hidr�geno.

Figura 7. Los �tomos tienen unas nubes de electrones que los rodean; al formarse la mol�cula de agua estas nubes engloban los tres �tomos, dando lugar a la forma caprichosa que se muestra en la figura. �ste es el origen de la ligadura de hidr�geno, responsable de las propiedades del agua.

No es el agua la �nica mol�cula que tiene ligaduras de hidr�geno: el amoniaco, el �cido fluorh�drico y los alcoholes tambi�n la tienen. Lo que parece ser �nico en la estructura del agua es que las mol�culas f�cilmente se aglomeran en redes tridimensionales, con muchos huecos, cuya geometr�a depende del �ngulo que forman los tres �tomos componentes. Esto le confiere gran cohesi�n.

Esta estructura, por cierto, se mantiene en las fases l�quida y s�lida. Para un f�sico tal informaci�n es muy importante, pues puede relacionarla con las propiedades que observamos del agua. Por ejemplo, si en vez de estar los �tomos dispuestos en un �ngulo de 105 grados estuvieran alineados, el agua no ser�a tan buen solvente como en realidad lo es, y si as� fuera, entre otras cosas no podr�a acarrear los nutrientes en los seres vivos. Si no tuviera la estructura que tiene no podr�a almacenar el calor en tan grandes cantidades como lo hace (la propiedad se llama capacidad calor�fica) y as� no servir�a para regular la temperatura de los seres que vivimos inmersos en un medio de aire, en donde las variaciones externas de temperatura son tan altas.

Los �tomos de los extremos (los hidr�genos) interact�an fuertemente con las mol�culas de agua vecinas. En su fase gaseosa las mol�culas est�n muy separadas para sentir entre ellas un efecto muy importante; as�, encontramos normalmente mol�culas aisladas y ocasionalmente dos mol�culas unidas, pero en la fase l�quida y en la s�lida estas interacciones son muy importantes.

Al congelarse, las mol�culas de agua forman r�pidamente estructuras ordenadas. A la presi�n atmosf�rica ordinaria, cuatro mol�culas se asocian en la forma de un tetraedro, las que a su vez conforman una estructura de anillos hexagonales.

�sta, por cierto, es una estructura muy poco empacada (con muchos huecos); es por ello que el agua s�lida es menos densa que el agua l�quida y por eso el hielo flota en el agua ordinaria.

Figura 8. El hielo tiene una estructura cristalina muy ordenada en donde cuatro mol�culas de agua forman tetraedros que se unen entre s�. Las cavidades de esta estructura explican por qu� la fase s�lida es menos densa que la l�quida.

Esta peculiar estructura tan fofa rige la variaci�n que tiene la densidad del agua. Como en cualquier sustancia, �sta cambia con la temperatura, pero de una manera singular. A cuatro grados cent�grados, muy cerca del punto de congelaci�n, la densidad del agua alcanza su m�ximo valor. Esto no se observa en ning�n otro l�quido com�n, ni tampoco en los s�lidos comunes. Sucede en sustancias de estructura el�stica semejantes al hule.

Por esta misma raz�n, las masas de agua se congelan de la superficie hacia abajo. No quisiera dejar pasar esta observaci�n sin reflexionar un poco sobre ella. Si el agua no fuese as�, los oc�anos se congelar�an en las zonas fr�as del fondo hacia arriba. Ello har�a que durante el verano se deshelaran solamente las capas superficiales del mar; el fondo seguir�a congelado y fr�o. Con el tiempo cada vez menos agua fluir�a hacia los climas templados e ir�a perdiendo calor. Al fin todos los mares se convertir�an en hielo.

La expansi�n del agua al congelarse tiene otro papel muy interesante en la naturaleza. En su forma l�quida, penetra en los peque�os intersticios de las rocas por un efecto que discutimos en el cap�tulo de experimentos con el agua cuando se mencion� que asciende por un tubo peque�o introducido en ella y que se llama presi�n capilar y es consecuencia de su alta tensi�n superficial. Cuando se congela ejerce presiones tan altas que llega a fracturar las rocas, y de esta manera las convierte en tierra.

Figura 9. El agua penetra a trav�s de las fisuras de las rocas; al solidificar y aumentar su volumen ejerce una gran presi�n sobre la roca hasta que la desmorona.

En su fase l�quida, la tenaz interacci�n entre las ligaduras de los hidr�genos hace que se preserve un poco de la estructura del s�lido; a ello me refer�a con la idea del "orden colectivo". Siendo as�, "romper" la superficie del l�quido es dif�cil, como cualquiera que haya ca�do en una alberca podr� haberse dado cuenta: �sta es una manifestaci�n de la tensi�n superficial.

La estructura del agua l�quida es tan extremadamente ordenada que la energ�a que se le suministra al calentarla se "absorbe" por las vibraciones moleculares, aceptando grandes cantidades de calor antes de elevar su temperatura (que representa el movimiento molecular). Inversamente, al perder energ�a su temperatura disminuye lentamente. Esta propiedad se llama calor latente, que para el agua es muy grande. Las implicaciones de este hecho son muchas y muy importantes.

Por ejemplo, para disipar la gran cantidad de calor que genera el motor de un autom�vil se utiliza agua que circula por unos conductos dentro de �l. El calor se transmite al agua y es despu�s liberado en el radiador, que est� construido de tal manera que el agua lo ceda r�pidamente. Si el calor latente no fuese tan grande, el agua se evaporar�a y no servir�a para controlar la temperatura del motor.

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

La enorme capacidad del agua para transportar calor puede exhibirse mediante un c�lculo sencillo: si un kil�metro c�bico de agua en un oc�ano fluye de una regi�n caliente a otra muy distante que se halla 20 grados cent�grados m�s fr�a, la transferencia de calor es de diez billones (10 con trece ceros) de kilocalor�as que es equivalente al calor generado por la combusti�n de 2 millones de toneladas de carb�n.

Jos� Black fue un cient�fico brit�nico del siglo XVIII, el primero que se detuvo con gran cuidado a meditar acerca de esta importante propiedad; la llam� "calor latente". Puesto que una masa de hielo en un ambiente c�lido se derrite, �c�mo es as� que no lo hacen los glaciares y las nieves perpetuas? Aunque de hecho hay transformaci�n de hielo (o nieve) en agua, ella no es s�bita, menos a�n cuando existen grandes masas de uno u otra. M�s a�n, Black analiz� c�mo en el verano puede guardarse un cubo de hielo en "las estructuras denominadas casas de hielo" (los primeros refrigeradores o "hieleras") en donde se impide la entrada del aire exterior y por consiguiente el calor penetra con lentitud. La clave, pues, est� en que el hielo tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de calor y que �ste pasa a las vibraciones moleculares; al derretirse al fin el hielo va a la fase l�quida, pero con una temperatura cercana (aunque un poco m�s 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 con mucha celeridad; pero el �nico efecto de dicho calor es mudarlo en agua, la cual no es sensiblemente m�s caliente de lo que era el hielo antes. Si, en seguida de derretido el hielo, se aplica un term�metro a las gotas o chorritos de agua, �ste marcar� la misma temperatura que cuando se aplica al hielo mismo, o de haber alguna diferencia, ella es de tan poca monta que no merece notarse.

Black prosigui� sus experimentos con el agua en ebullici�n y pudo observar un fen�meno semejante, de manera que:

[...] el calor absorbido no calienta los cuerpos circundantes, sino que convierte el agua en vapor. En ninguno de los dos casos nos percatamos de la presencia del calor como causa del calentamiento. El calor est� oculto o latente; y yo lo denomino calor latente.

Los estudios sistem�ticos del hielo fueron iniciados en la primera mitad de este siglo por el brit�nico Percibaldo Bridgman y el alem�n Jorge Tamman. Sus experimentos mostraron que el hielo es una compleja estructura que tiene formas estables y metaestables que pueden cambiar de unas a otras.

La mayor parte de la gente habla del hielo refiri�ndose a la forma s�lida que toma el agua cuando se congela en las condiciones normales de un refrigerador dom�stico. Empero, en el laboratorio se producen otras variedades de hielos, aparte de los tradicionales cubitos.

Figura 10. La estructura hexagonal de las mol�culas de agua se manifiesta en las formas con la misma simetr�a hexagonal de los copos de nieve.

En la figura se muestra un mapa, o un diagrama de fases del hielo, del que existen nueve formas distintas, cada una de ellas con una cristalizaci�n peculiar. La raz�n por la que no observamos frecuentemente estos hielos es que existen a temperaturas muy bajas.

Figura 11. Para representar las transformaciones entre los distintos tipos de hielo, los cient�ficos elaboran estos diagramas. Cada regi�n representa las condiciones de temperatura y presi�n en donde se presenta cada uno de ellos. La l�nea gruesa marca la frontera entre el l�quido (parte superior) y los hielos (parte inferior).

El hielo normal, denominado Ih, tiene una estructura hexagonal, y de �l hay una variedad que se llama hielo c�bico o Ic que es una especie metaestable ²que ocurre entre los -80 y -120 grados cent�grados. Este hielo c�bico no puede producirse solamente bajando la temperatura a un hielo normal Ih, pues su misma metaestabilidad lo impide; hay que llegar por otro camino: condensando vapor a -80 grados cent�grados. Del hielo IV se sabe muy poco, salvo que es una forma metaestable que puede coexistir con el hielo V.

Otra forma de hielo parece surgir al enfriar agua l�quida al vac�o (es decir, en ausencia de aire), y lo que se obtiene es hielo m�s pesado que el agua aunque su existencia todav�a est� por demostrarse.

Como puede observarse del diagrama, los hielos II, VIII y IX no se encuentran pr�ximos al l�quido y por tanto no pueden producirse de �l; han de obtenerse enfriando los hielos III, V, VI o VII a presi�n, o descomprimiendo a temperatura constante uno de ellos. As�, el hielo II normalmente se prepara a partir del hielo V por descompresi�n a -35 grados cent�grados y el hielo IX enfriando el hielo III a -100 grados cent�grados.

Una caracter�stica de todos los hielos es su arreglo cristalino en el que cada ox�geno se liga por hidr�genos a cuatro ox�genos vecinos. En el hielo I la estructura es tetra�drica pero, a medida que se eleva la presi�n, el �ngulo entre el hidr�geno y el ox�geno se distorsiona, acercando a los ox�genos vecinos.

Aun cuando la anterior descripci�n puede pasar por una simple curiosidad cient�fica, el estudio de los cambios en los arreglos de estructura es m�s f�cil de tener en un s�lido que en el l�quido. El agua, recordemos, tiene una estructura muy ordenada, de modo que las observaciones del hielo han servido grandemente para estudiar al l�quido, para el cual han heredado parte de los t�rminos.

Normalmente pensamos en las tres formas f�sicas del agua, hielo, l�quido y vapor, como si fueran tres cosas distintas, aunque de hecho no nos es desconocido que son lo mismo. Para conocerla un poquito m�s caminemos por el mundo de los cambios de fase, con un mapa llamado diagrama de fases en la mano.

Figura 12. Un diagrama de fases es una representaci�n matem�tica de lo que sucede en la naturaleza. Los cient�ficos lo utilizan para describir los procesos de transformaci�n entre las fases, como los que se describen en el texto.

Las direcciones en las que nos podemos mover son tres, como en el mundo que vivimos: en este caso, en vez de largo, ancho y alto hay presi�n, volumen y temperatura. En este mundo, sin embargo, cuando se dan valores a dos dimensiones la tercera queda fija autom�ticamente.

El gas, al que llamamos com�nmente vapor, es una fase en donde las mol�culas est�n muy distantes unas de otras. Pr�cticamente son ajenas a las interacciones moleculares y no existe orden. Esta fase, sin embargo, comienza a adquirir propiedades nuevas cuando se disminuyen la presi�n o la temperatura, lo que resulta en una contracci�n, haciendo que las mol�culas "sientan" la influencia de otras. Ésta puede llevar al l�quido, en cuyo caso se presenta una condensaci�n, o al s�lido, que es una sublimaci�n inversa.

El s�lido es la otra cara de la moneda: reina el orden. Las mol�culas de agua se agrupan en estructuras bien definidas, normalmente hexagonales. Existe una limitada agitaci�n molecular que disminuye con la temperatura aunque nunca cesa por completo, ni en el cero absoluto.

Si se calienta el hielo se derrite en un proceso llamado fusi�n, y llega al l�quido. Los l�quidos son estructuras intermedias entre el orden del s�lido y el total desorden del gas. Normalmente el orden persiste tan s�lo localmente, pero el agua es la gran excepci�n: su l�quido tiene la mayor estructura de todas las sustancias normales. El líquido se evapora constantemente, es decir, las mol�culas en su seno tienden a escapar al gas, en donde hay menores atracciones entre ellas (m�s desorden), aunque las mol�culas vecinas intentan por lo contrario retener a las pr�fugas.

La retenci�n se llama cohesi�n, su medida es la tensi�n superficial y requiere de energ�a para romperse. Por consiguiente, cuando una mol�cula al fin consigue incorporarse al gas se lleva consigo parte de la energ�a del l�quido, enfri�ndolo ligeramente. Esto puede acelerarse si se agita el agua, pues ello rompe la tensi�n superficial y se forman burbujas llenas de vapor. Este fen�meno se llama cavitaci�n (del lat�n cavitas = hueco).

La evaporaci�n del agua brinda la humedad al aire. Si el aire est� muy seco el proceso ser� r�pido, hasta llegar a saturar la humedad ambiental, en cuyo momento se detiene. Por eso si se disipa la humedad superficial contin�a evaporando el l�quido y disminuyendo su temperatura, raz�n por la que es m�s baja cuando sopla viento.

En el momento en que la temperatura llega a 100� C (al nivel del mar) el l�quido ebulle hasta convertirse �ntegramente en vapor. Para poner en ebullici�n un litro de agua se requieren 539 kilocalor�as (abreviado kcal); en tanto no se suministre esa energ�a el agua se ir� calentando pero no hervir�.

La temperatura de ebullici�n depende de la presi�n atmosf�rica. Por ejemplo, al nivel del mar el agua hierve a 100 grados cent�grados, en la ciudad de M�xico (2 km de altitud) a 92.6, en la cumbre del Popocat�petl a 82 y en la del monte Everest a poco menos de 70. Se puede tener agua hirviendo a 0 grados cent�grados, pero habr�a para ello que bajar la presi�n a 4.6 mm Hg.

Figura 13. La temperatura de ebullici�n del agua (y de cualquier otra sustancia) depende de la presi�n, como se ilustra en la figura.

Los l�quidos pueden aceptar ciertas cantidades de gases y s�lidos en su seno: esto se conoce como disoluci�n: no todo s�lido o gas puede incorporarse a un l�quido, ni en cualquier cantidad. Al l�mite de concentraci�n de un soluto (la sustancia que se agrega) en un solvente (la que recibe) se llama solubilidad. Esta propiedad puede modificarse por la temperatura y por la presi�n.

La propiedad de disoluci�n se conoce desde la antig�edad. Los alquimistas buscaron una sustancia que disolviese todas las dem�s. Esta sustancia no existe, pero lo m�s cercano a ella es el agua. Adem�s, el agua es extremadamente corrosiva, una de las m�s corrosivas... y no obstante es fisiol�gicamente inocua.

Los gases se disuelven en los l�quidos en distintas cantidades. Por ejemplo el agua disuelve inmensas cantidades de �cido sulfh�drico y bi�xido de carbono. El amoniaco es tambi�n muy aceptado (100 gramos en medio vaso de agua). Aunque el ox�geno y el nitr�geno se disuelven con mucha menos facilidad (0.07 y 0.03 gramos por litro, respectivamente), ello es muy importante para la vida acu�tica, pues aunque hay un cent�simo de gramo de aire por litro, �ste es suficiente para los peces.

El agua, dentro de sus particularidades, parece haber sido pensada como el l�quido de la vida: disuelve los nutrientes que necesitan los seres vivos (mejor que cualquier otro l�quido), regula la temperatura tanto del medio ambiente como del interior de los organismos, favorece el crecimiento y da cuerpo a las estructuras vivas: la turgencia de las plantas se debe a su contenido de agua. Es el elemento m�s com�n y, sin embargo no siempre se encuentra en el sitio requerido y con la pureza adecuada.

Invito ahora al lector a recorrer nuestro planeta en busca de agua.