Agua Superenfriada Instantánea

Qué ocurre:
La mayoría de la gente cree que el agua siempre se congela exactamente a 32°F o 0°C. Si bien es cierto que el hielo de agua pura siempre comienza a derretirse a 0°C, el agua líquida -incluso el agua pura- no necesariamente se congela a esta temperatura, y puede seguir siendo un líquido a temperaturas mucho más frías (ver el enlace de abajo). A esto se le llama agua superenfriada. La razón por la que esto puede ocurrir (no sólo en el caso del agua, sino en el de muchas sustancias que forman cristales en su estado sólido) es que las moléculas de un líquido se comportan de forma un poco diferente a las del estado sólido (donde están fuertemente encerradas en una disposición ordenada o red cristalina) o del estado gaseoso (donde son completamente independientes). Todo lo que se necesita para que un sólido se funda es calor, que proporciona la energía para que la red cristalina se rompa y se convierta en líquido. En cambio, el simple hecho de enfriar las moléculas de un líquido no hace que formen un sólido. Las moléculas tienen que empezar a organizarse y formar una red cristalina ordenada, y esto requiere un poco más de energía (este tipo de energía «prestada» se llama calor latente de fusión). Piénsalo así: es mucho más fácil destruir una casa de Lego que construir una desde cero. Hay que pensar y tener cuidado para empezar a construir la casa a partir de las piezas individuales. La formación de un sólido cristalino a partir de moléculas líquidas individuales es similar: las primeras moléculas deben colocarse en la posición y la alineación adecuadas para empezar a construir una red cristalina correcta. Una vez que este entramado comienza a formarse, es mucho más fácil que otras moléculas de líquido se adhieran y continúen haciendo crecer el entramado cristalino. Cuanto más se enfría un líquido, más probable es que algunas de las moléculas formen ese primer cristal, pero si no se mueven mucho puede que no ocurra. Por eso tuvimos mucho cuidado de no perturbar las botellas hasta que quisimos que se congelaran. Golpeando o agitando la botella conseguimos que las moléculas se movieran, de modo que era más probable que unas pocas se movieran en la disposición adecuada y formaran el primer cristal (llamado cristal semilla o sitio de nucleación), entonces el resto de las moléculas se adhirieron rápidamente, y toda la botella se congeló.
El punto de congelación o fusión de una sustancia se define en realidad como la temperatura a la que las fases líquida y sólida están en equilibrio. En el caso del agua pura, esto significa que el hielo se funde exactamente al mismo ritmo que el agua líquida se congela, de modo que la cantidad neta de cada una de ellas permanece prácticamente invariable. Esto ocurre exactamente a 0°C (32°F) para el agua pura. Este equilibrio perfecto puede parecer muy difícil de conseguir, pero en realidad, siempre que el baño contenga suficiente hielo y agua, y no se añada o quite demasiado calor externo (es decir, que la nevera esté bien aislada), las fases encontrarán su equilibrio y la temperatura se estabilizará en 0°C. Por eso deberías haber medido 0°C (dependiendo de la precisión de tu termómetro) en el paso 2. Cuando el agua de la botella está superenfriada (por debajo de 0°C) no está en equilibrio, ya que no hay hielo. Pero una vez que se forma el primer cristal sólido, la cantidad de hielo aumenta a medida que se congela más agua y la mezcla alcanza rápidamente el equilibrio a 0°C, es decir, la temperatura sube realmente a medida que el agua se congela, liberando el calor latente de fusión (ver Experimentos adicionales más abajo). Por eso, el hielo que se forma en la botella es muy blando y granizado, en lugar de estar congelado. Para congelar el hielo con fuerza hay que eliminar este calor extra de alguna manera, quizás colocándolo de nuevo en la nevera.
Para superenfriar una botella de agua hay que bajar su temperatura por debajo del punto de congelación de equilibrio normal eliminando el calor. Dado que el calor sólo fluye de los objetos más calientes a los más fríos, es necesario poner la botella en contacto con algo más frío, como el aire frío de un congelador. Pero la mayoría de los congeladores domésticos suelen estar a una temperatura de entre -10 y -15 °C, por lo que dejar la botella en el congelador demasiado tiempo hará que la temperatura baje tanto que es casi seguro que se forme un cristal de semillas en algún lugar y luego se congele por completo. A no ser que puedas poner un termómetro dentro de la botella, deberás comprobarlo a menudo y sacarlo una vez que esté superenfriado pero no congelado, lo que puede ser complicado. Otro problema de este método es que la mayoría de los congeladores utilizan motores que provocan vibraciones, y al igual que cuando golpeaste la botella, este movimiento puede formar un cristal de semilla y congelar el agua. Podrías utilizar el baño de agua helada que preparaste en el paso 2 para enfriar el agua, pero este baño está en equilibrio a 0 °C, por lo que sólo puedes enfriar tus botellas a esta temperatura, que no es lo suficientemente fría para superenfriar el agua. Para sobreenfriar tus botellas necesitas un baño de agua helada que esté mucho más frío que 0°C.
Afortunadamente, el agua líquida (o cualquier disolvente) tiene otra propiedad muy útil: el punto de congelación de una solución (cualquier cosa disuelta en un disolvente) es siempre menor que el punto de congelación del disolvente puro. En nuestro caso, esto significa que la disolución de la sal (el soluto) en el agua (el disolvente) reduce el punto de congelación de la solución sal-agua, es decir, hay que conseguir que esté más fría que el agua pura para que se congele. Por eso es mucho más difícil congelar el agua de mar que el agua dulce. Hay que tener en cuenta que esto no es lo mismo que el agua superenfriada; el agua salada es una solución, no agua pura. Por eso también se espolvorea sal en una carretera o acera helada. La sal se disuelve en la fina capa de agua líquida que suele haber en la superficie (a no ser que el hielo esté muy, muy frío), reduciendo la temperatura necesaria para que el hielo se mantenga congelado. Cuanta más sal se disuelva, menor será el punto de congelación. No importa el tipo de sal (o cualquier otro soluto) que utilices, sólo la cantidad que disuelvas en el agua. Esto se denomina propiedad coligativa, lo que significa que sólo depende del número de partículas, no de su composición. Dado que el hielo sólido suele ser mucho más frío que 0 °C (lo has medido en el paso 1), añadir hielo a una solución de agua salada reduce la temperatura de la solución. Y como el punto de congelación de este baño de solución de agua salada-hielo (la temperatura en la que la congelación y la fusión están en equilibrio) es más bajo que el de un baño de agua pura-hielo, podemos utilizarlo para sobreenfriar nuestras botellas de agua pura. Añadiendo suficiente sal es relativamente fácil preparar un baño que esté a -10°C o más frío.
Nota que en este experimento hemos utilizado botellas de agua de plástico. Otra propiedad interesante del agua es que se expande al congelarse, es decir, la fase sólida ocupa más volumen que la misma cantidad de moléculas en la fase líquida. Dicho de otro modo, la fase sólida es menos densa que la fase líquida, ya que densidad= masa/volumen. Por eso el hielo flota en el agua líquida (¡te sorprenderá saber que la mayoría de las sustancias no presentan este comportamiento!) Si utilizaras una botella de cristal en este experimento, al congelarse el agua líquida podría no haber espacio suficiente para que el hielo se expandiera, lo que rompería la botella.

Variaciones y actividades relacionadas:
Hay otras formas interesantes de congelar instantáneamente el agua superenfriada. Desenrosca con mucho cuidado la tapa de una de tus botellas sin congelar el agua. Deja caer un pequeño trozo de hielo en el agua y observa cómo se inicia instantáneamente la congelación en la botella. Como este trozo ya es sólido, sirve de cristal semilla al que las moléculas del líquido pueden adherirse fácilmente. También puedes probar a verter lentamente el agua líquida superenfriada de la botella en un plato con un pequeño trozo de hielo. El agua se congelará al chocar con el hielo y luego continuará congelándose hasta el chorro de vertido y dentro de la botella. Para otro experimento, coloca con cuidado un termómetro en la botella de agua líquida sobreenfriada. Debe indicar una temperatura muy por debajo de 0 °C. Ahora deja caer un pequeño trozo de hielo en la botella para iniciar la congelación y observa cómo aumenta la temperatura a medida que el agua se congela, hasta que finalmente alcanza los 0°C. A medida que el agua se congela, libera calor (llamado calor latente de fusión), y este calor no tiene otro destino que el resto del agua y el hielo de la botella, que en realidad refunde parte del hielo que acaba de congelarse. Por eso la botella no se congela en hielo duro, sino que forma un hielo muy húmedo y granizado. Una vez que el hielo y el agua alcanzan el equilibrio, su temperatura debe estar en el punto de congelación, o sea 0°C.

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *