Los sorprendentes equilibrios de fases del agua.

emiliomoron (69)in #cervantes • 6 years ago (edited)

Fuente: pixabay.com

¿Alguna vez escuchaste hablar de que puede existir hielo a más de 100 ºC? ¿O de que el agua puede permanecer en estado líquido por debajo de 0 ºC?

Cuando hablamos de agua, ¿qué es lo primero en lo que pensamos? Quizás en sus usos más comunes como: hidratarnos, la limpieza, cocinar, bañarnos, regar las plantas, aplicaciones industriales; o su estado en la naturaleza formando lagos, mares, nubes y glaciales, si bien todos conocemos la importancia del agua para el desarrollo de la vida en general, quizás pocos pensamos en su estructura molecular y la relación que existe entre las condiciones de temperatura y presión que dan lugar a sus diferentes fases. Los cambios de fases del agua aparecen con mucha frecuencia en nuestro entorno, desde su ebullición en una olla para cocinar, hasta su fusión en hielo para tomar una refrescante bebida.

Antes de explicar la respuesta a las preguntas iníciales debemos comenzar por entender algunos conceptos claves. Comencemos con el diagrama de fases del agua.

Fuente: elaborada por el autor

Un diagrama de fases es una representación grafica de la presión frente a la temperatura, en la que cada región representa una fase estable y las líneas representan equilibrios entre dos fases. Así, en él, podemos observar cómo se produce la transformación de una fase a otra según varía la presión y la temperatura. El grafico mostrado corresponde al diagrama de fases del agua a presiones moderadas, seguro ya habrán observado algunos procesos básicos en este sistema, como que a presión atmosférica el agua líquida pasa a vapor en aproximadamente 100 ºC o que esta se congela en aproximadamente 0 ºC. Pero pasemos a describir un poco mejor las partes del diagrama.

Las regiones o zonas abiertas del diagrama corresponden a estados de una sola fase, le damos el nombre de fase a la porción del sistema que es homogénea en composición y físicamente diferenciable, para el sistema mostrado del agua, pueden coexistir tres fases: agua líquida, hielo y vapor. Como podemos observar a bajas temperaturas y por debajo de 2 atmosferas de presión solo hay una fase en el sistema, el hielo, a temperaturas por encima de los 0 ºC y presiones moderadas el agua permanece en estado líquido, y a altas temperaturas o bajas presiones la fase posible es el vapor.

Cada fase está separada de las otras por una línea limite conocida como línea de equilibrio bifásico, es decir donde pueden coexistir simultáneamente dos fases, como por ejemplo, en una olla con agua hirviendo están presentes agua en estado líquido y su vapor, o en un vaso con hielo están en equilibrio los estados líquido y sólido. Como vemos, es posible que existan estos equilibrios en un rango amplio de temperatura y presión, es decir, el agua no solamente puede entrar en ebullición a 100 ºC, puede hacerlo a una menor temperatura si la presión es más baja, o viceversa. Por ello, en una ciudad ubicada a una gran altitud, por ejemplo La Paz en Bolivia (ubicada a casi 4000 msnm), donde la presión atmosférica se reduce a 487 mmHg, el agua herviría a aproximadamente 89 ºC, en lugar de aproximadamente 100 ºC como lo hace a nivel del mar donde la presión atmosférica es cercana a 760 mmHg.

También se observan dos puntos especiales, uno se conoce como el punto triple, en que habrán notado que pueden existir las tres fases en equilibrio al mismo tiempo, para el agua este punto se consigue a 0,01 ºC y 0,006 atmósferas o 4,58 mmHg, recordemos que la presión atmosférica (1 atm) equivale a 750 mmHg, por lo que se consigue a una presión bastante baja. El otro punto es el llamado punto crítico, donde se produce el final de la división clara entre la fase vapor y líquido, en condiciones más allá de ese punto se pierden las propiedades de ambos fluidos, y se obtiene una mezcla de ambos.

Pero volvamos a las preguntas iníciales. ¿Es posible que exista hielo a más de 100 ºC? de hecho en la literatura y en la web abunda el diagrama de fases del agua a presiones moderadas, pero este no está completo, a presiones elevadas se han observado modificaciones en la fase sólida, y el sistema agua se vuelve más complejo, en la siguiente figura se observa una representación del diagrama de fases para el agua que incluye algunas de las regiones a altas presiones.

Fuente: imagen edtada por el autor imagen original

Un cubo de hielo normal, de los que tenemos en el refrigerador, se conoce como hielo I. Pero esta forma no es estable a altas presiones, como se puede observar en el diagrama, al elevar la temperatura su estructura cambia, dando formas diferentes de hielo. De estas formas se conocen 14 fases diferentes del hielo, aunque son poco comunes y requieren condiciones excepcionales para obtenerlos, no sería raro encontrar estas formas en otros planetas donde las condiciones atmosféricas son más severas que en la tierra. En nuestro planeta predomina únicamente el hielo I, que dependiendo de la temperatura podrá tener una estructura cúbica (conocido como Ic) o hexagonal (conocido como Ih), siendo el segundo más común dado que Ic es una condición metaestable. El resto de las fases del hielo se han estudiado en el laboratorio bajo condiciones especiales de presión y temperatura, incluso para el estudio a presiones más allá de las 100.000 atmosferas se ha recurrido a programas de simulación.

Entonces, según este segundo diagrama, para obtener hielo a más de 100 ºC solo se debe calentar agua a una presión lo suficientemente alta como para mantenerla en estado líquido a 100 ºC, digamos 100 atmosferas, y luego seguir incrementando la presión sobre el líquido, por encima de las 20.000 atmosferas comenzará la cristalización del agua en hielo VII. No es imposible, aunque si complicado y costoso.

Mencione que la fase Ic del hielo es metaestable, ¿sabes lo qué significa?

Se dice que un equilibrio es verdadero cuando, termodinámicamente hablando, un sistema se encuentra en el menor estado de energía libre, por lo cual se puede obtener en cualquier dirección, si nos fijamos en las líneas de equilibrio, el agua en equilibrio con su vapor puede obtenerse bien sea porque calentamos agua o enfriamos el vapor a una presión constante. Sin embargo existen casos en los que se puede alcanzar un estado de equilibrio bajo condiciones en las que no debería existir, es decir sin que ocurra ningún cambio de estado, por ejemplo agua líquida por encima de 100 ºC o por debajo de 0 ºC a presión atmosférica. Mira el siguiente ejemplo que utilice para explicar el subenfriamiento del agua.

Fuente: propio

Por tanto, al sacar la botella del congelador, el agua se encontraba en estado líquido por debajo de su punto de congelación, lo que no corresponde a su estado de equilibrio termodinámico sino al definido como equilibrio metaestable. Y por ello, con cualquier perturbación el sistema saltara a su verdadera posición de equilibrio, liberando súbitamente toda la energía calorífica que se había acumulado sin congelarse. Y ahí lo tienen, estados de equilibrios entre fases para el agua más allá de los que habíamos supuesto.