La ciencia del agua: el líquido que no debería existir

Mírala bien. Parece la cosa más aburrida del mundo, ¿verdad? Transparente. Incolora. Inocente. No huele, no sabe a nada, la bebemos, nos duchamos en ella y la ignoramos. Asumimos que el agua es lo normal, el estándar aburrido del universo.

Pues estamos completa y peligrosamente equivocados. Empezando por el color: mucha gente cree que el mar es azul solo porque refleja el cielo. El reflejo influye, sí, pero el agua también tiene color propio. Sus moléculas vibran a una frecuencia tan concreta que absorben un poco más el rojo que el azul. Se “comen” la parte roja del espectro y escupen la azul. ¿Y por qué tu vaso parece transparente? Porque ese azul es muy tenue: necesitas metros de agua, una piscina profunda o un glaciar, para que el rojo muera por el camino.

Si acorralas a un químico, a un astrofísico o a un biólogo molecular, te confesarán algo que no viene en los libros de texto: el agua es una rareza. Tiene un montón de anomalías bien documentadas. Muchas se entienden. Otras siguen siendo tema activo de investigación. Vamos a ver por qué el hielo flota, por qué el agua hirviendo puede congelarse antes que la fría y por qué, cuando bebes, en parte estás bebiendo el sistema solar.

El hielo que flota y el universo B

Tira un lingote de oro sólido en oro fundido: se hunde. Roca en lava: se hunde. En casi todo el universo el sólido es más denso que el líquido.

Al agua le da igual. El agua sólida flota.

Antes de congelarse, el agua alcanza su máxima densidad a unos 4 °C. Por debajo de eso, en lugar de acurrucarse por el frío, sus moléculas se dan codazos. Forman una estructura hexagonal, una rejilla cristalina llena de huecos, y el hielo se vuelve menos denso que el agua líquida.

¿Y eso qué importa? Imagina que reiniciamos el universo y, en este universo B, el agua se comporta como una sustancia normal. Llega el primer invierno, la superficie de los océanos se congela y el hielo se hunde. El agua expuesta se congela otra vez y, plof, al fondo, donde el sol de verano no llega. Invierno tras invierno, los océanos se congelan de abajo hacia arriba. Sin corrientes, sin clima estable, sin sopa primordial. Una bola de nieve estéril.

En nuestro universo pasa lo contrario: el hielo flota y forma una manta térmica que aísla el agua de debajo y la mantiene líquida para que los peces, las algas y la evolución hagan su trabajo. Vivimos gracias a un glitch.

El efecto Mpemba: la carrera que gana el agua hirviendo

Hagamos una carrera. Carril uno: un vaso de agua a 20 grados. Carril dos: un vaso de agua hirviendo a 100 grados. Meta: el congelador. La lógica dice que gana la fría. Pues en algunos experimentos gana la caliente. El agua caliente hace trampas. Se evapora con violencia y pierde masa, así que queda menos agua que congelar. Por dentro activa una convección frenética que la remueve como una lavadora y reparte el frío más rápido. Y al calentarse expulsa parte de los gases disueltos, lo que cambia cómo empieza a formarse el hielo (la nucleación) y cómo se transfiere el calor. Lo inquietante es que todavía no hay una explicación universal: suelen intervenir varios mecanismos, el resultado depende mucho del montaje y hay físicos que, tras repetir el experimento con todo el cuidado, dudan incluso de que el efecto exista.

Lo mejor es la historia del nombre. Año 1963, escuela de Magamba, Tanzania. Erasto Mpemba es un estudiante y en su escuela los chicos se preparan su propio helado: hervir leche con azúcar, esperar a que enfríe y al congelador. Pero tiene prisa y miedo de quedarse sin la última bandeja libre, así que mete la leche hirviendo directamente. Otro compañero mete la suya sin hervir. Hora y media después, el helado de Erasto está congelado y el de su compañero sigue siendo un líquido espeso.

Cuando se lo cuenta a su profesor de física, este le suelta que está confundido, que eso no puede pasar. Y años después, ya en el instituto, otro profesor zanja el tema delante de toda la clase:

«Eso no es la física universal, hijo. Eso es la física de Mpemba».

Erasto se convierte en el chiste del colegio. Hasta que un físico universitario, el doctor Denis Osborne, visita la escuela. Erasto pregunta por qué el agua a 100 grados se congela antes que la de 35. Los alumnos se ríen, pero Osborne responde: «No lo sé, pero prometo probarlo». Los datos le dieron la razón al chico y en 1969 publicaron juntos el estudio. No hay un “efecto Pérez” de instituto. Solo existe el efecto Mpemba.

Vampirismo energético y una piel que trepa árboles

Un día de agosto, a las dos de la tarde, el sol golpea igual a la arena que al mar. Mismos fotones, misma energía por metro cuadrado. Pero la arena te quema los pies y el agua sigue fresca. La diferencia es la capacidad calorífica, o como a mí me gusta llamarlo, el vampirismo energético. Cuando le das calor al agua, no lo usa enseguida para subir de temperatura: lo usa para romper sus enlaces internos. Se traga la energía y se la guarda en el bolsillo.

Por eso el agua es el radiador de la Tierra. Sin ese freno térmico seríamos como la Luna o Marte, un desierto de extremos letales.

Y luego está su piel. Las moléculas del interior de un vaso están agarradas por todas partes, pero las de la superficie no tienen a nadie arriba, así que se aferran a las de los lados y de abajo y forman una membrana elástica. Es la tensión superficial más alta de los líquidos comunes; solo el mercurio la supera.

Ahora piensa en una secuoya de cien metros, un edificio de treinta pisos sin corazón que bombee. La respuesta del colegio es la capilaridad, pero la capilaridad solo sube el agua unos pocos metros en el mejor de los casos. El truco real es el mecanismo de cohesión y tensión: el agua dentro del árbol es una cuerda continua desde la raíz hasta la hoja. Arriba, el sol evapora agua por los poros y cada molécula que se va tira de la siguiente, que tira de la siguiente. El árbol no empuja el agua. El cielo la succiona, como si la atmósfera bebiera con una pajita de cien metros.

Geometría sagrada: Mickey Mouse y el puente de hidrógeno

¿De dónde salen estos superpoderes? De la forma. El dióxido de carbono es una línea recta, aburrida y simétrica. El agua es curva: sus dos hidrógenos forman una V con un ángulo de 104,5 grados. Visualízalo como la cabeza de Mickey Mouse: la cara es el oxígeno y las orejas, los hidrógenos.

El oxígeno es el abusón del patio: muy electronegativo, quiere electrones y los quiere ya. Arrastra hacia sí los que comparte con los hidrógenos, así que la cara de Mickey queda con carga negativa y las orejas, desnudas, con carga positiva. El agua es una molécula polar, una pequeña batería.

Y como es un imán, la oreja de una molécula se agarra a la cara de la vecina en un baile frenético. Son los puentes de hidrógeno, débiles pero innumerables, y son la razón de que el agua sea líquida.

Para sentir el vértigo, mira la tabla periódica. Justo debajo del oxígeno está el azufre. El sulfuro de hidrógeno es casi el gemelo químico del agua, pero no forma puentes de hidrógeno fuertes y hierve a sesenta grados bajo cero. Si el agua siguiera las reglas de su familia, aquí toda el agua sería vapor, y tú también. Vivimos en el filo de la navaja de un enlace químico débil.

El ácido lento que te deja pensar

Llamamos al agua disolvente universal, y suena a limpieza. En realidad es un ácido lento. No lo disuelve todo (las grasas y muchos compuestos no polares se le resisten), pero con las sustancias iónicas y polares es excelente. Cuando la lluvia toca una roca, sus moléculas rodean los átomos, tiran de ellos con sus cargas y se los llevan secuestrados. Un vaso de agua mineral es sopa de roca: calcio, magnesio, sodio.

Ese poder destructivo es lo que te permite pensar. El agua despedaza la sal, separa el sodio del cloro y crea iones, electricidad líquida. Sin electrolitos, tus neuronas no dispararían y tu corazón no recibiría la orden de latir. Somos bolsas de agua salada organizadas que aprendieron a caminar, a reír y a amar.

Por eso la sed no es tener la boca seca. Cuando pierdes agua, tu sangre se vuelve más salada, y en unas pequeñas zonas del cerebro junto al hipotálamo, en la lámina terminal, unos sensores, los osmorreceptores, detectan el cambio y disparan la alarma: bebe ya.

Agua zombi, punto triple y otras rarezas

El agua se congela a cero grados solo si tiene una excusa: una semilla, una mota de polvo, una burbuja. Si enfrías agua muy pura despacio y sin moverla, puede seguir líquida a veinte grados bajo cero. Es el superenfriamiento, o como yo lo llamo, el agua zombi. Un golpe seco a la botella y el hielo corre por ella como una infección.

Mi favorita absoluta es el punto triple: a 0,01 °C y una presión de 0,006 atmósferas, el agua hierve y se congela a la vez. Si subes a 374 grados y unas 218 atmósferas llegas al agua supercrítica, que no es ni líquido ni gas y se usa como incinerador sin llamas para destruir residuos tóxicos. Y en las profundidades de Urano o Neptuno los modelos sugieren hielo superiónico: hielo a miles de grados que conduce muy bien la electricidad. El líquido que nos da la vida sigue siendo, en parte, una caja negra.

Bebes cometas

¿De dónde salió tanta agua? La Tierra de hace cuatro mil quinientos millones de años era un infierno con océanos de magma, pero no está claro que naciera seca. Durante años se pensó que el agua llegó sobre todo en asteroides ricos en agua, las condritas carbonáceas, con los cometas como actores secundarios: el agua de los cometas que hemos medido tiene demasiado deuterio para encajar con la de nuestros océanos. Estudios recientes sugieren además que buena parte ya venía atrapada en las rocas que formaron el planeta y salió después desde su interior. Un planeta que sudó agua desde dentro y la recibió desde fuera.

Y hay algo aún más extraño. Los modelos sugieren que una parte significativa del agua del sistema solar podría ser presolar, más vieja que el Sol. El porcentaje se debate, pero las estimaciones hablan de entre un 30 y un 50 % del agua de los océanos, la misma que acaba en tu vaso y en tu cuerpo. El agua de tu cerebro sería más antigua que la luz que nos calienta.

Así que deja de verte como un ser terrestre que necesita agua. Somos agua. Somos un océano antiguo que ha aprendido a construir un traje de astronauta hecho de piel y hueso para caminar sobre tierra seca. En el vídeo completo tienes todo esto contado con imágenes, el abogado del diablo al completo y unas cuantas rarezas más. Después, ya no podrás mirar un vaso de agua igual.

Fuentes

• Charles L. Braun y Sergei N. Smirnov, *Why is water blue?*, Journal of Chemical Education 70 (8), 1993
• Erasto B. Mpemba y Denis G. Osborne, *Cool?*, Physics Education 4, 1969 (copia de la Royal Society of Chemistry)
• H. C. Burridge y P. F. Linden, *Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold*, Scientific Reports 6, 2016 (Imperial College London)
• U.S. Geological Survey, *Water Density*, Water Science School
• U.S. Geological Survey, *Surface Tension and Water*, Water Science School
• Harvey R. Brown, *The theory of the rise of sap in trees: some historical and conceptual remarks*, Universidad de Oxford, arXiv, 2014
• Michael Hopkin, *Height limit predicted for tallest trees*, Nature News, 2004
• OSHA (Departamento de Trabajo de EE. UU.), *Hydrogen sulfide*, Occupational Chemical Database
• Smith College, Departamento de Geociencias, *Phase diagram of H2O* (punto triple y punto crítico)
• J. Wang et al., *The organum vasculosum of the lamina terminalis and subfornical organ: regulation of thirst*, Frontiers in Neuroscience 17, 2023
• C. A. Zimmerman, D. E. Leib y Z. A. Knight, *Neural circuits underlying thirst and fluid homeostasis*, Nature Reviews Neuroscience 18, 2017
• Adam Mann, *Bizarre form of hot ice seen on Earth*, National Geographic, 2019
• ESA, *First measurements of comet's water ratio* (misión Rosetta), 2014
• CNRS, *Earth may always have been wet* (sobre Piani et al., Science, 2020)
• Carnegie Institution for Science, *Earth's water is older than the sun* (sobre Cleeves et al., Science, 2014), ScienceDaily
• Elizabeth Gibney, *Earth Has Water Older Than the Sun*, Scientific American (con Nature), 2014 (entre un 30 y un 50 % del agua de los océanos sería presolar)
• Lisa Grossman, *The pristine Winchcombe meteorite suggests that Earth's water came from asteroids*, Science News, 2022 (condritas carbonáceas)
• Giancarlo Franzese y H. Eugene Stanley, *Understanding the Unusual Properties of Water*, arXiv, 2006 (máximo de densidad a 4 °C, capacidad calorífica, red de puentes de hidrógeno, agua superenfriada)
• University of Arkansas Cossatot, *All About Water*, Chemistry LibreTexts (ángulo de 104,5°, polaridad y puentes de hidrógeno)
• Departamento de Energía de EE. UU., *Supercritical Water Oxidation Program (SCWOP): Technology summary*, OSTI (destrucción de residuos por encima del punto crítico, 374 °C y 22,1 MPa)
• Monwhea Jeng, *Hot Water Can Freeze Faster Than Cold?*, Physics FAQ, alojado por la Universidad de California en Riverside, 1998 (evaporación, convección, gases disueltos; sin explicación única)