La mayoría de los líquidos tienen un comportamiento bastante simple cuando se enfrían (a una presión fija) se encogen. El líquido se contrae a medida que se enfría, debido a que las moléculas se mueven más lentamente, son menos capaces de superar las fuerzas intermoleculares atractivas que las acercan entre sí. Luego se alcanza la temperatura de congelación, y la sustancia se solidifica, lo que hace que se contraiga un poco más porque los sólidos cristalinos generalmente están muy apretados.
El agua es una de las pocas excepciones a este
comportamiento. Cuando el agua líquida se enfría, se contrae como cabría
esperar hasta alcanzar una temperatura de aproximadamente 4 grados centígrados.
Después de eso, se expande ligeramente hasta que alcanza el punto de
congelación, y luego, cuando se congela, se expande aproximadamente un 9%. Esta
es la razón por la que el hielo flota y los cuerpos de agua se congelan de
arriba hacia abajo.
Este comportamiento inusual tiene su origen en la estructura de la molécula de agua. Existe una fuerte tendencia a formar una red de enlaces de hidrógeno, donde cada átomo de hidrógeno está en una línea entre dos átomos de oxígeno. Esta tendencia de enlace de hidrógeno se fortalece a medida que la temperatura baja (porque hay menos energía térmica para sacudir los enlaces de hidrógeno fuera de posición). La estructura de hielo está completamente unida por hidrógeno, y estos enlaces obligan a la estructura cristalina a estar muy "abierta".
La "densidad máxima" del agua es producto del
mismo fenómeno. Cerca del punto de congelación, las moléculas de agua comienzan
a organizarse localmente en estructuras similares al hielo. Esto crea cierta
"apertura" en el agua líquida, que tiende a disminuir su densidad.
Esto se opone a la tendencia normal del enfriamiento a aumentar la densidad; es
a aproximadamente 4 grados centígrados que estas tendencias opuestas se
equilibran, produciendo la densidad máxima.
Esta propiedad del agua es crítica para toda la vida en la tierra. Dado que el agua a aproximadamente 4 °C es más densa que el agua a 0 °C, en lagos y otros cuerpos de agua, el agua más densa se hunde debajo del agua menos densa. Si el agua fuera más densa en el punto de congelación, entonces en invierno el agua muy fría en la superficie de los lagos se hundiría, el lago podría congelarse de abajo hacia arriba. Y, dado que el agua es un buen aislante (debido a su capacidad térmica ), algunos lagos congelados podrían no descongelarse en verano.
La explicación del mundo real de la densidad del agua es en
realidad más complicada, ya que la densidad del agua también varía con la
cantidad de material que se disuelve en ella. El agua en la naturaleza contiene
minerales, gases, sales e incluso pesticidas y bacterias, algunos de los cuales
se disuelven. A medida que se disuelve más material en un galón de agua, ese
galón pesará más y será más denso. Es por esto que el agua del océano es más densa que el agua
pura.
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