El agua es el compuesto químico más conocido, y probablemente el más abundante en el Universo. Pero ello no significa que su comportamiento sea normal. Al contrario, si por algo se conoce al agua, es por sus importantes anomalías. A presiones y temperaturas elevadas, destaca su capacidad corrosiva.

La Tierra proporciona condiciones tales que permiten encontrar el agua en los tres estados más conocidos, el hielo, el agua líquida y el vapor de agua. A la presión atmosférica normal, las diferentes fases del agua se pueden obtener cambiando la temperatura.

Peculiaridades del agua

Tan extraña es el agua que incluso las temperaturas de fusión y ebullición del agua son anormalmente altas, más de cien grados por encima de las que se dan en los compuestos similares. Para entender el fenómeno, hace falta recordar la composición del agua, H₂O, así como el hecho que el oxígeno y el hidrógeno se encuentran enlazados químicamente.

Entonces, en el agua, estas temperaturas tan elevadas se deben a que dos moléculas de agua diferentes se atraen entre sí con más intensidad de la que es habitual. Este tipo de unión se conoce como puente de hidrógeno. El nombre indica que el hidrógeno de una molécula de agua hace de puente entre dos oxígenos, uno de su propia molécula y el otro de una molécula diferente. Esta unión es unas diez veces más intensa que las fuerzas de atracción entre moléculas de tamaño y forma parecida al agua.

Los puentes de hidrógeno también explican porqué el hielo, la forma sólida del agua, es menos denso que el agua líquida, de forma que el hielo flota sobre el agua, aunque nueve partes de diez quedan sumergidas. Aunque la atracción entre moléculas es más intensa de lo habitual, curiosamente obliga a ordenarlas describiendo hexágonos, figura geométrica que deja vacío un amplio espacio interior.

Aumentando la presión

Estudiemos ahora qué le pasa al agua cuando cambia la presión. La presión a la que nos referimos es la que se ejerce sobre el agua, por parte de la atmósfera, o por la propia agua del mar a medida que descendemos a mayor profundidad. También se da en los casquetes polares, sobre el hielo que se encuentra a varios kilómetros por debajo de la superficie. Estos entornos naturales proporcionan presiones que van desde las décimas de atmósfera hasta varios miles.

Pero es en el laboratorio donde se puede llegar a presiones extremas, mediante un dispositivo denominado celda de diamante: una prensa de punta de diamante ejerce presiones de centenares de miles de atmósferas, sobre áreas de menos de un milímetro cuadrado.

¿Cómo varían las propiedades del agua, con la presión? Todos sabemos que el agua hierve a 100°C. Pero, en realidad, esto sólo pasa a la presión de una atmósfera, la presión típica al nivel del mar. Si disminuimos la presión, el agua hierve a temperaturas menores. Por ejemplo, en la cumbre del Everest, a 8.850 metros de altura, el agua hierve a 68°C, puesto que la presión a esa altura es sólo de 0,3 atmósferas.

Cuando, en cambio, se incrementa la presión, se llega a situaciones sorprendentes. Por ejemplo, a presiones elevadas el agua se puede mantener líquida a temperaturas muy por encima de los 100°C. Este es, de hecho, el fundamento de la cocina mediante ollas a presión. El hecho de tener agua líquida a mayor temperatura permite que los tiempos de cocción sean más cortos.

Agua supercrítica

En nuestro planeta, el récord de temperatura elevada para el agua líquida se ha medido en una chimenea subacuática, en el Atlántico sur, donde el agua emerge casi a 470ºC y todavía es líquida, gracias a la enorme presión que ejerce el océano sobre el fondo marino. Aquella región se encuentra a más de 3.000 metros de profundidad y la presión es superior a las 300 atmósferas.

La presión es suficientemente elevada, en la chimenea del Atlántico sur, como para que el agua se encuentre en un estado exótico. Se trata de agua supercrítica. Es un estado fluido del agua, tres veces menos denso que el agua líquida normal, pero mucho más denso, trescientas veces más, que el vapor de agua normal.

El resto de propiedades del agua supercrítica también son diferentes. Por ejemplo, es un agua que casi no forma gotas. Otro ejemplo, la sal común, que tan bien se disuelve en agua normal (35.9 gramos por litro) es casi insoluble en agua supercrítica, hasta el punto que en un litro sólo se pueden disolver 0,1 gramos de sal.

Esto no es todo. Todos sabemos que el agua no tiene ningún efecto sobre los metales, cuando menos los metales resistentes a la corrosión. Tenemos recipientes de acero, de aluminio, de cobre, y ya no digamos de oro o plata, que pueden contener agua sin que esto sea ningún problema para el recipiente.

En cambio, estos recipientes aguantarían muy poco tiempo conteniendo agua supercrítica, puesto que los puede atacar con una cierta facilidad. Una de las razones es que puede contener una gran cantidad de oxígeno, el compuesto realmente corrosivo: el agua supercrítica se puede mezclar con oxígeno en cualquier proporción. En cambio, el agua normal sólo permite que se disuelvan 8 miligramos de oxígeno, por litro de agua.

Volvamos a las chimeneas volcánicas del Atlántico sur. Éstas se denominan también black smokers (literalmente, fumadores negros), porque con el agua se emiten un montón de compuestos, principalmente sulfuros, que le dan el aspecto de humo negro que justifica el nombre. Entre estos compuestos se encuentran sales de manganeso, de hierro e incluso de oro, compuestos que han sido extraídos del magma interior gracias a las propiedades corrosivas del agua supercrítica. El equipo de investigadores que hizo el hallazgo, en 2005, ha estimado que la mitad del manganeso, así como una décima parte del hierro, que se encuentran a los océanos, provienen de la extracción causada por esta agua particular.

Desinfección con agua supercrítica

Las propiedades de disolución del agua supercrítica, y de muchos fluidos supercríticos en general, han sido bastante estudiadas y tienen hoy en día mucha aplicación práctica.

Por ejemplo, el agua supercrítica puede disolver con facilidad compuestos orgánicos, sin necesidad de utilizar disolventes nocivos para el medio ambiente, como el tolueno o el cloroformo. El uso de agua supercrítica es, pues, una alternativa ambientalmente benévola, y está sustituyendo gradualmente esos disolventes.

También es muy útil en tratamientos de descontaminación e incluso de desinfección, tanto del agua convencional como de los ambientes que requieren esterilización, como los quirófanos de los hospitales. La razón es que el agua supercrítica acentúa sobremanera la acción de las sustancias oxidantes, por lo puede atacar con facilidad los microorganismos, y puede degradar buena parte de las sustancias contaminantes. Además, la esterilización se produce muy rápidamente y con una eficiencia muy elevada. Por ejemplo, uno de los tratamientos patentados consigue eliminar el 99.99% de los contaminantes con tiempos de aplicación entre 1 y 5 minutos, tan sólo.

La oxidación con agua supercrítica es, por lo tanto, una técnica que se utiliza hoy en día en la esterilización de agua. Pero su desarrollo no ha sido un camino de rosas. La principal dificultad ha sido el correcto diseño de los reactores en el interior de los cuales tiene lugar el proceso, porque pocos contenedores pueden aguantar poder corrosivo mencionado.

 

Autor: Xavier Giménez Font

Profesor de Química Ambiental,

Investigador y Divulgador Científico.

Facultad de Química, Universidad de Barcelona.

Autor de “L’Aire que Respirem”.

UB Edicions, 2013.