El agua parece no tener una, sino dos estructuras distintas en su estado líquido

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Investigadores de la Universidad de Tokio han utilizado métodos computacionales y análisis de datos experimentales recientes para demostrar que las moléculas de agua toman dos estructuras distintas en estado líquido: una tetraédrica y otra no tetraédrica.

Ese descubrimiento, dicen, podría tener implicaciones para nuestra comprensión de los sistemas vivos, que dependen del agua líquida. Los hallazgos han sido publicados en el Journal of the American Chemical Society.

El agua es bastante común en la Tierra pero el agua en sí misma, el viejo monóxido de dihidrógeno, es algo realmente peculiar.

Tiene una densidad realmente extraña. La mayoría de los líquidos se vuelven más densos cuando se enfrían, lo que resulta en un hielo que es más denso que el líquido. Sin embargo, el agua alcanza su densidad máxima a aproximadamente 4 grados Celsius.

A medida que la temperatura disminuye aún más, se vuelve menos densa, por lo que en el punto de congelación, alrededor de 0 grados Celsius, es menos densa que el agua líquida y flotará en la parte superior.

Además, el agua tiene una tensión superficial inusualmente alta, solo superada por el mercurio líquido; sus puntos de fusión y ebullición son inusualmente altos; y el hecho de que muchos otros químicos se disuelvan en él también es realmente extraño.

En el 2018, científicos del Reino Unido y Japón demostraron que estas propiedades peculiares tienen que ver con la disposición tetraédrica de las moléculas de agua en forma líquida. Esto significa que cada molécula de agua está unida por hidrógeno a otras cuatro en forma de pirámide rugosa.

Pero aún así, cómo se ordena la estructura ha seguido siendo un tema de debate. Un modelo propone que la estructura molecular del agua es unimodal: son tetraedros hasta el fondo. El otro propone que la estructura es bimodal, que consta de dos estructuras: tetraedros y algo más.

Para tratar de resolver el problema, científicos industriales de la Universidad de Tokio realizaron simulaciones por computadora y también realizaron experimentos con sílice líquida, uno de los pocos otros líquidos que también se sabe que tiene una disposición molecular tetraédrica.

Estos experimentos se basaron en la difracción de rayos X. La forma en que estas longitudes de onda corta se dispersan de los átomos en las moléculas en el líquido puede usarse para inferir la disposición de esas moléculas.

Específicamente, los científicos observaron los picos en la difracción. Y descubrieron que dos picos de difracción superpuestos estaban ocultos en lo que parecía el primer pico de difracción.

Uno de estos picos fue consistente con la distancia entre los átomos de oxígeno en líquidos normales, el otro fue consistente. Los investigadores pudieron demostrar que la mayor distancia entre los átomos de oxígeno se encuentra en los arreglos moleculares tetraédricos.

«Mostramos la primera evidencia numérica clara en el factor de estructura para la coexistencia dinámica de los dos tipos de estructuras locales … que respaldan la descripción de dos estados del agua líquida», escribieron los investigadores en su artículo.

Este hallazgo podría tener implicaciones para la biología molecular, la química y la farmacología, así como para las aplicaciones industriales, dijeron los investigadores.

Fuente: Science Daily.

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