Moléculas a reacción

Blog de divulgación del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea

Una breve historia del agua: De la pregunta de un niño al origen del universo

Manuel Iglesias Alonso, ISQCH.

Durante la etapa de confinamiento debida a la descontrolada expansión del virus SARS-CoV-2 en marzo de 2020, muchos padres nos vimos abocados a sufrir y disfrutar la ardua labor de compaginar nuestro trabajo con la educación de nuestros hijos. En mi casa, la rutina diaria que nos habíamos autoimpuesto dictaba sentarse (mi mujer, mi hijo y yo) en la mesa del comedor para llevar a cabo nuestros quehaceres. Sé que todos los niños son especiales a ojos de sus padres, por lo que nunca se debe decir que tu hijo es un “crack” en esto o lo otro, pero lo cierto es que el mío terminaba demasiado rápido las tareas asignadas por su maestra por vía telemática y se aburría con labores rutinarias como colorear. Como os podéis imaginar, un niño de 5 años suelto por casa sin nada que hacer te dificulta significantemente avanzar en tu trabajo, por lo que se me ocurrió pedirle que me escribiese 5 preguntas, las que él quisiese ―esto ayudaría a estimular su curiosidad y, sobre todo, como aún le costaba bastante escribir, lo mantendría ocupado un buen rato―. Entre varias de sus preguntas, como por ejemplo ¿por qué las gomas borran el lápiz y no el boli?, si la Tierra es redonda ¿por qué no están los edificios inclinados? o ¿por qué hay infinitos números?, me llamó la atención una especialmente: ¿de dónde viene el agua?

La verdad es que esta pregunta tiene muchas capas, sobre todo sabiendo (o mejor dicho desconociendo) como funciona la mente de un niño. ¿Querría saber cómo funciona un grifo?, ¿cómo se embotella el agua?, ¿cómo se canaliza?, ¿de dónde viene el agua de los ríos y manantiales?, ¿cómo llegó el agua a la Tierra?… Como ya os habréis imaginado a estas alturas, esta estrategia de ganar tiempo manteniendo ocupado a mi hijo para dedicárselo a mi trabajo había resultado ser un fracaso total ―sobre todo dada mi tendencia a divagar con estos temas―.

Desde luego no le iba a explicar a mi hijo cómo funciona un grifo, cómo se embotella el agua o cómo se canaliza, imaginaos que me sale ingeniero… Entonces decidí contarle cómo llega el agua a ríos y manantiales, es decir, el ciclo del agua.

Pues bien, el agua en nuestro planeta se encuentra en estado líquido en ríos, lagos y, principalmente, en los mares y océanos. Estos últimos almacenan el 97.5% del agua, lo cual nos deja solamente un 2.5% de agua dulce. De toda el agua dulce de nuestro planeta, casi el 69% se encuentra en estado sólido en los polos y en las cumbres de las montañas, y el 30% forma parte de la humedad del suelo y acuíferos profundos difícilmente accesibles. Esto nos permite deducir que solamente un 0.025% del total del agua de nuestro planeta es agua dulce accesible (y no toda ella es potable). La evaporación del agua, principalmente de los mares y océanos, es decir, su cambio de estado de líquido a gaseoso mediante el calor proporcionado por el sol da lugar a las nubes (etapa de evaporación), donde el agua se condensa para formar pequeñas gotas de agua en suspensión (etapa de condensación). De hecho, las nubes no están formadas por vapor de agua como comúnmente se dice, sino que son suspensiones de micro-gotitas de agua de 0,2 a 0,3 mm de diámetro que flotan en la atmósfera. La siguiente etapa del ciclo del agua es la precipitación. Cuando las condiciones climatológicas son propicias, el agua cae sobre la superficie terrestre como un líquido o un sólido (nieve, granizo…). Esto nos lleva a las dos últimas etapas del ciclo, la infiltración y la escorrentía, las cuales permiten que el agua de las precipitaciones pase a formar parte de nuestros ríos y manantiales. Finalmente, estos transportan el agua de nuevo hacia nuestros mares y océanos, cerrando así el ciclo.

Ciclo del agua

Llegados a este punto le pregunté a mi hijo si lo entendía. Me contestó que sí, que eso ya se lo había contado alguna vez, pero que lo que él quería saber es de dónde viene el agua de los océanos. Y, con el pecho henchido de orgullo por la curiosidad científica de mi hijo, le expliqué que el agua que forma los océanos de la Tierra viene de los meteoritos que colisionaron con el planeta Tierra durante su formación hace unos 4.500 millones de años. Cuando ese primitivo e inhóspito planeta Tierra empezó a enfriarse hace unos 4.000 millones de años el vapor de agua en la atmósfera se condensó para dar lugar a las primeras lluvias, que originaron nuestros océanos, el ciclo hidrológico y, finalmente, toda la biodiversidad de la que disfruta nuestro planeta (o por lo menos esta es la teoría más aceptada). Esto debería poner en valor un recurso limitado y tan necesario como el agua, a no ser que esperemos la colisión de nuevos meteoritos, pero va a ser peor el remedio que la enfermedad.

Yo creo que llegados a este punto ya había satisfecho la curiosidad de mi hijo, pero la siguiente pregunta era tan obvia que parar aquí me parecía casi un delito. Esa pregunta evidentemente es: ¿de dónde viene ese hielo que formaba los meteoritos que se estrellaron contra la Tierra hace 4.500 millones de años?

Para contestar esta pregunta primero tenemos que explicar la estructura de la molécula de agua y de que átomos se compone. La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, es decir, una bola grande de plastilina roja y dos pequeñas de plastilina blanca formando un ángulo de unos 104° entre ellas. Como la resolución exacta de la ecuación de Schröedinger para moléculas poliatómicas no es posible, la descripción mecano-cuántica del enlace químico es demasiado complicada y poco intuitiva. Por lo que habitualmente se emplean modelos alternativos que facilitan su comprensión mediante el uso de aproximaciones. La teoría de enlace de valencia considera que los enlaces se forman mediante el solapamiento de dos orbitales, proporcionando uno cada átomo, y siendo dos el número total de electrones que ocupan ambos orbitales. Esta teoría sugiere que la molécula de H2O (deberíais saber que esta es la fórmula molecular del agua a estas alturas) tiene una hibridación sp3 en la cual el orbital atómico 2s y los tres orbitales 2p del oxígeno dan lugar a cuatro nuevos orbitales híbridos que participan en el enlace mediante solapamiento con el orbital 1s del hidrógeno. De este modo, esta teoría predice una geometría tetraédrica para la molécula de agua, con los dos átomos de hidrógeno y dos pares de electrones no enlazantes ocupando los cuatro vértices del tetraedro y el oxígeno en el centro (lo cual es una aproximación bastante buena). Ahora intenta explicarle esto a un niño de 5 años.

Estructura H2O

La cuestión es que esta estructura electrónica da lugar a las propiedades únicas del agua. La mayor densidad electrónica sobre el átomo de oxígeno en comparación con los de hidrógeno permite la asociación de las moléculas de agua mediante unas fuerzas intermoleculares llamadas enlaces de hidrógeno, que se fundamentan en una fuerza electrostática atractiva entre dipolos. Su estructura electrónica también da lugar a fuertes interacciones atractivas con sustancias polares o cargadas, pero hace que repela moléculas o fragmentos apolares. Esto permite, por ejemplo, la formación de micelas o membranas mediante la interacción atractiva con la parte polar y repulsiva con la parte apolar de moléculas anfifílicas (moléculas que presentan fragmentos polares y apolares), como los ácidos grasos. Y a esto se debe, ni más ni menos, la formación de la membrana celular, la estructura tridimensional de las proteínas… y, en definitiva, el origen de la vida.

 

Micela

 

Muy bien, ahora que ya entendemos la estructura de la molécula de agua solo queda explicar de dónde vienen los átomos de oxígeno e hidrógeno que la constituyen, cómo se unen para crear la molécula de H2O y cómo esta llega a formar parte de los meteoritos. ¡Pan comido! El hidrógeno viene de las nebulosas y el oxígeno se forma en las estrellas. Pues no, no es tan sencillo, la verdad es que existen varias teorías y puede que distintos orígenes. Lo que sí es cierto es que las estrellas son gigantescos reactores de fusión nuclear donde el hidrógeno, del que se componen en su mayoría, da lugar a elementos más pesados mediante un proceso llamado nucleosíntesis. En el interior de una estrella los átomos de hidrógeno se encuentran en un estado de la materia llamado plasma, es decir, los núcleos y electrones están separados. En este estado, los núcleos de hidrógeno se fusionan para dar helio, desprendiendo una gran cantidad de energía, radiación gamma (fotones), por eso brillan las estrellas. Cuando la estrella envejece, se forma un núcleo de helio, donde este elemento se fusiona para dar lugar al carbono. Si la estrella es lo suficientemente masiva, más que nuestro sol, el carbono se puede fusionar para producir neón, y así promover la cadena Ne→O→Si→Ni (la desintegración radiactiva del níquel da lugar a la formación de hierro). Dependiendo del tamaño de la estrella, esta puede terminar su ciclo vital con una gran explosión, como una supernova. Tras su muerte, estos elementos se dispersan por el universo.

Ahora ya sabemos el origen de los átomos de oxígeno, pero ¿dónde y cómo se forma el H2O? Existen pruebas sólidas de que las moléculas de H2O se forman en las nebulosas, que son nubes de polvo y gas situadas en el medio interestelar. Estas pueden tener distintos orígenes, unas se forman a partir del gas que ya estaba en el medio interestelar y otras alrededor de una estrella moribunda debido al material que esta expulsa. Las primeras, llamadas “incubadoras de estrellas”, están formadas principalmente por hidrógeno, pero también por pequeñas cantidades de polvo y otras moléculas, entre ellas el oxígeno. Durante las etapas tempranas de la formación de una estrella, en ella se generan moléculas de H2O que, gracias a la acción de la gravedad, se agregan y se convierten en materia prima para la formación de asteroides, cometas y planetas. Un ejemplo es la Nebulosa de Orión, donde se estima que se produce cada día suficiente agua para llenar los océanos de la Tierra 60 veces.

¡Perfecto! ¡Todo explicado! En las estrellas el hidrógeno da lugar al oxígeno y en las nebulosas se juntan los bloques de lego (o bolas de plastilina) necesarios para construir las moléculas de agua. La gravedad hace su trabajo para formar los meteoritos que llevaron el agua a la Tierra y así se formaron los océanos. El sol evapora el agua, se forman las nubes, la lluvia y la nieve alimentan los ríos y manantiales que permiten que el agua se embotelle o llegue a los grifos de nuestras casas. No hay más dudas, ya puedo seguir con mi trabajo.

¡Pero no! Hay otra pregunta que surge de manera espontánea: ¿de dónde vienen los átomos de hidrógeno que forman las estrellas y nebulosas? (llegados a este punto mi hijo ya ha cogido el mando de la tele y se ha puesto a ver Clan). Aquí se complica bastante la explicación para un químico… pero lo voy a intentar porque ¿qué va a pensar mi hijo de mi si no soy capaz de responder a sus preguntas competentemente?

Bueno, pues los átomos de hidrógeno se formaron en lo que conocemos como “Big Bang”, la gran explosión (aunque realmente poco tiene que ver con una explosión, sino que es un fenómeno bastante más complejo), hace unos 13.700 millones de años. A los 10-43 segundos después del Big Bang (tiempo de Planck), cuando toda la materia de nuestro universo ―incluyéndonos a nosotros mismos, el Sol, la Tierra, la Luna, el resto de los planetas del sistema solar, nuestra galaxia (la vía láctea) y el resto de galaxias del universo (existen entre 1 y 2 billones de galaxias en el universo observable según cálculos recientes, de hecho, se estima que existen más estrellas en el universo que granos de arena en todas las playas del mundo)―, es decir, TODO, se encontraba comprimido en un espacio 100 trillones de veces más pequeño que un átomo, todavía no existía el hidrógeno. De modo resumido y simplificando bastante (sino mi hijo igual se pierde), aproximadamente a los 10-6-10-5 segundos se formaron las partículas elementales y, poco después, los quarks se asociaron para dar lugar a los protones (constituidos por dos quarks arriba y un quark abajo). Los átomos de hidrógeno no se formaron hasta pasados 300.000 años, cuando el universo ya estaba lo suficientemente frío como para que el núcleo (el protón) fuese capaz de atraer a un electrón ―siendo todo este proceso regido por las interacciones fundamentales: la gravitatoria, nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnética―.

At H

Por desgracia o por fortuna, si queremos seguir exprimiendo esta cuestión llegamos a los confines del conocimiento humano, pero aun así (o quizás por esto mismo) surgen nuevas preguntas: ¿cuál es la naturaleza de las partículas elementales?, ¿qué ocurrió en los instantes anteriores al tiempo de Plank?, ¿qué produjo el Big Bang?… Pero estas se las dejo a mi hijo y su generación para que me las contesten ellos a mí.

Acerca de isqch

El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

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Esta entrada fue publicada el 01/04/2020 por en Uncategorized.

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