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Agua y densidad

Water molecule

Imagen cortesía del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) (inglés).

Molécula de agua.

El agua es la única sustancia común que existe en la superficie de la Tierra como sólido, líquido y gas. Es una molécula especial compuesta de dos átomos de hidrógeno fuertemente enlazados a uno de oxígeno. Los tres átomos no están en línea recta, sino que forman un ángulo de aproximadamente 104 grados.

Los electrones (partículas con carga negativa) que describen órbitas alrededor de los tres átomos son atraídos más intensamente por el átomo de oxígeno que por los de hidrógeno. Este fenómeno da al "lado" del oxígeno de la molécula una carga eléctrica ligeramente negativa y al "lado" del hidrógeno de la molécula, una carga ligeramente positiva. Las moléculas de este tipo se denominan moléculas polares.

Por su naturaleza, las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las de distinto signo, se atraen. Cuando las moléculas de agua están cerca, se atraen entre sí. En estado líquido, el resultado de esta atracción es lo que podríamos llamar la naturaleza "pegajosa" del agua.

Water molecules

Imagen cortesía de Wikimedia.org.

Cuando el agua líquida se congela para formar hielo, las moléculas de agua se organizan de manera que los lados de hidrógeno, que tienen carga positiva, se enlazan con los lados de oxígeno, que tienen carga negativa, de las moléculas vecinas. Las moléculas de agua se disponen en conjunto en una estructura abierta poco común, aunque todas están enlazadas con enlaces de hidrógeno.

Cuando el hielo se derrite, las moléculas de agua quedan libres para agruparse más estrechamente en el estado líquido. Debido al agrupamiento más estrecho, las moléculas de agua ocupan menos espacio; en otras palabras, el agua líquida tiene mayor densidad (masa por unidad de volumen) que el hielo. Por eso el hielo flota en agua y se expande a medida que se congela. Son muy pocas las sustancias que en estado sólido flotan en su estado líquido.

Esta propiedad del hielo de flotar en el agua es importante para mantener la vida en lagos de agua dulce que se congelan en invierno. Los peces de estos lagos se han adaptado de diversas maneras a la disminución de la cantidad de luz, alimento y oxígeno cuando el lago está congelado. Otro factor importante es que el agua del lago es más cálida debajo del hielo que en la superficie congelada. Esto se debe a que la densidad del agua aumenta ligeramente de 0 ºC (32 ºF) a 4 ºC (39 ºF). Dentro de este estrecho intervalo de temperaturas poco mayor que el punto de congelación, el agua cálida más densa se hunde en el agua fría menos densa, lo que crea una circulación favorable para la vida de los peces y otras criaturas acuáticas.

A temperaturas superiores a 4 ºC, el agua fría es más densa y se hunde en el agua cálida, menos densa. Los líquidos cálidos que se elevan y los fríos que se hunden forman un conocido patrón de circulación en la naturaleza que se denomina convección.