Sempiterna aqua

Roberto Fernández Prini. INQUIMAE-DQIAQF, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires y Unidad de Actividad Quimica, Comisión Nacional de Energía Atómica.

Las propiedades del agua líquida son consideradas anómalas. Lo son porque se comportan de manera distinta a los demás líquidos. Por ello resulta paradójico que el agua sea el único líquido puro con el que el hombre se encuentra cotidianamente y que se lo piense anómalo. El ejemplo más destacado de esa anomalía puede resumirse en que el sólido (hielo) es menos denso –flota– que el líquido.

El agua debe sus propiedades curiosas a su pequeño tamaño molecular y a la fuerza relativa de las interacciones que existen entre sus moléculas. Mucho se ha especulado sobre el comportamiento de esta importante sustancia dado que H2O es sinónimo de probabilidad de vida. Entonces no es tan llamativo que el coportamiento del agua genere muchas especulaciones y hallazgos que no se han demostrardo fehacientemente.

La cantidad de investigaciones que se han realizado sobre los sistemas acuosos, es decir agua que contiene otras moléculas –sales, sustancias orgánicas como la urea o los alcoholes, sustancias de interés biológico como proteínas, acido desoxirribonucleico, etc.–, son numerosísimas y de muy buena calidad. Por lo tanto, queda claro que algo se puede decir con certidumbre sobre esta sustancia. En el agua hay importantes interacciones entre las moléculas, relaciones de atracción y repulsión que forman agregados de existencia efímera que perduran algunos pico segundos (billonésimos de segundo), pero no hay estructuras que permanezcan estáticas, invariables en el tiempo, más allá de ese lapso fugaz.

Algunos informes científicos han sugerido que el agua tiene memoria de las moléculas han sido disueltas en ella. Este tema siempre atrae porque se lo vincula inexorablemente con la homeopatía. Que el agua no conserva estructuras en su seno depués que las moléculas que se dice que las puedan generar ya no están más en ella, está claro. Una evidencia cotidiana lo da el efecto que tienen las microondas que se utilizan para calentar agua o soluciones acuosas. El campo de electromagnético de microondas oscila unas 100.000 millones de veces por segundo y si las moléculas no tuvieran movimientos de ese mismo orden de magnitud, el agua no se calentaría.

En la actualidad hay mucho interés en conocer el comportamiento del agua en sistemas confinados. Esto es importante porque su comportamiento cambia, fenómeno que también ocurre con otras sustancias, pero el agua, dadas sus características, tiene comportamientos inesperados y que es necesario conocer porque sistemas confinados que contienen H2O son comunes en la biología, en sistemas naturales y en la tecnología. Sistemas confinados son los que tienen por lo menos una dimensión que es muy pequeña, por ejemplo en el orden de algunos mil millonésimos de metro. Ejemplos son alambres o tubos muy delgados, planos o superficies muy delgadas, en estos ejemplos muy delgado remite a que una de sus dimensiones, el diámetro en los cables o el espesor en las superficies, son muy pequeñas involucrando pocas moléculas.

También son sistemas confinados los que están constituidos por agregados de pocas moléculas, cristalitos o gotículas. A esto debe agregarse que la fuerte interacción entre las moléculas de agua, que cuando tienen espacio (sistemas macroscópicos) se disponen en promedio con un hábito tetraédrico como el hielo, constituye una razón para que el agua confinada no admita fácilmente en su seno sustancias que tienen una interacción distinta, especialmente cuando perturban su estructura. La consecuencia es que son repelidas o segregadas lo más posible para que el resto no se vea perturbado.

La gran afinindad de H2O por H2O y el sostenimiento de la estructura tetraédrica cuando es posible también se observa en la superficie de sistemas macroscópicos, esa zona se llama interfaz y también confina al H2O en una dirección. Así las propiedades y las posibles reacciones químicas de H2O podrán ser distintas en las superficies y en los sistemas confinados. La gran capacidad del agua para tratar de adaptarse al medio confinante en que se encuentra tiene consecuencias interesantes. Así cuando se introduce H2O en nanotubos de carbono que tienen un diámetro de 14 nm, es decir catorce mil-millonésimas de un metro que es como 30.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello, las moléculas se acomodan en la superficie formando como un forro interno pero, debido al confinamiento no pueden estructurarse como en el hielo, sino que se unen (por uniones hidrógeno) fomando cuadrados.

Ahora bien, si se agrega más agua cuando ya está completo el forro, las nuevas moléculas H2O presentan propiedades muy distintas a las que forman el forro dado que no ven a la superficie de átomos de carbono; esas moléculas centrales, que son como el relleno de un churro, tienen una velocidad de desplazamiento a lo largo del eje del nanotubo mucho mayor que las del forro. Es como si hubiera dos tipos de moléculas H2O distintas, esto porque el ambiente en que se encuentran las dos poblaciones son muy distintos. El agua pura tiene tendencia a formar espontáneamente, aunque en muy pequeña cantidad, iones OH^- y H3O⁺ (iones hidroxilo e hidronio o protones hidratados). Ocurre que en conglomerados de pocas moléculas de H2O que forman como gotículas el ion H3O⁺ sólo vive en la superficie interior del conglomerado. Esto se atribuye a que la geometría del ion hidronio es muy distinta a la de H2O y por lo tanto el hidronio es rechazado. Lo mismo se observó ya hace tiempo con la gotículas que contienen iones esféricos, los iones negativos no están en el centro de las gotículas sino que tienden a posicionarse fuera del centro, esto a pesar que tanto los iones como el conglomerado de H2O son esféricos.

En el caso de que en lugar de iones, los que tienen fuerte interacción electrostática con H2O, hubiera en la gotícula un átomo neutro, como uno de gas interte, después de un breve tiempo la molécula de gas es totalmente expulsada de la gota y sólo se adhiere a su superficie exterior.

Sempiterna aqua. El tema es apasionante y estoy seguro que siempre estaremos preocupados por el agua; por eso esta nota, como Finnegans Wake, termina como comenzó.