Punto de congelación del agua

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El agua es un componente fundamental para la vida como se conoce, los seres vivos tienen en promedio más de un 70% de agua, quien desempeña un rol clave en el mantenimiento, distribución y reproducción de los mismos y participa de manera destacada en casi todos los procesos biológicos. Con el paso del tiempo los seres humanos han identificado que el agua no es sólo un recurso fundamental para la regulación del planeta y el desarrollo de los ecosistemas, sino que además es sinónimo de crecimiento económico, desarrollo de la agricultura, pesca, industria, transporte y turismo, esto explica la gran preocupación mundial por el cuidado de este recurso. Hablaremos sobre el Punto de congelación del agua.

La contaminación del agua y su escasez representa un factor de riesgo para el bienestar y calidad de vida de las generaciones futuras, lo que justifica la importancia de tomar acciones individuales y colectivas para la preservación de este recurso. El agua es realmente importante en el funcionamiento del planeta, sus propiedades químicas y físicas son excepcionales, y aunque a la mayoría de las personas estas características les parecen normales, lo cierto es que su comportamiento es extraordinario cuando se compara con otras sustancias químicas.

A diferencia de los otros planetas del sistema solar, en la Tierra el agua predomina en estado líquido, pero interactúa y coexiste con los otros dos estados de la materia, es decir, sólido y gaseoso. Su constante dieléctrica y su momento dipolar explican porque es considerada el solvente universal, dada la gran cantidad de sustancias que se dispersan en ella.

De igual forma, presenta un elevado punto de ebullición y fusión, además el punto de congelación del agua es menor de lo que podría esperarse. Sus propiedades térmicas y las variaciones de su densidad con los cambios de estado, llevan a que esta sea considerada un componente esencial para comprender el funcionamiento del sistema terrestre y sobre todo para entender y reconocer como el cambio climático pudiera afectar su circulación y distribución en el planeta.

La mayor frecuencia en fenómenos meteorológicos extremos como: las sequías, las inundaciones, el deshielo de los glaciares y el aumento del nivel del mar, podrían generar graves consecuencias y dificultades para garantizar el suministro del vital líquido. Por ello muchos investigadores consideran que el cambio climático es el reto más importante que enfrentan los seres humanos.

Si te intereza la ciencia como tal, puedes leer este artículo sobre la formación del ozono.

Características y distribución del agua en el planeta

Características y distribución del agua en el planeta

El agua es una sustancia necesaria para la vida como se conoce, esta aseveración se sustenta gracias a que posee un gran número de características especiales que determinan su comportamiento extraordinario. La molécula está conformada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno unidos por un enlace covalente y organizados en un ángulo de 105°, lo que lleva a una distribución asimétrica de su carga eléctrica.

Esto es conocido como polaridad del agua, lo que facilita la unión entre moléculas por los lados eléctricamente opuestos mediante un mecanismo conocido como puente de hidrógeno, una unión relativamente fuerte. Esto explica su alto punto de ebullición y el relativamente bajo punto de congelación del agua. A temperaturas inferiores a este valor, ocurre la formación de hielo con una estructura más abierta y menos densa que el agua en estado liquido.

Se piensa que en el pasado, el agua jugó un rol esencial para el inicio de la vida, y en la actualidad se cree es indispensable para la supervivencia y mantenimiento de una población humana en constante crecimiento. Es posible encontrarla naturalmente en el planeta en 3 estados: sólido, líquido y gaseoso, además es frecuente identificarla en otros componentes del sistema solar, pero hasta donde se conoce el planeta Tierra es el único, donde el estado líquido es predominante y los 3 estados conviven de forma activa.

Al considerar la superficie total del planeta, se concluye que alrededor de un 71% de la misma está cubierta por agua, parte de ésta es salada, y se ubica principalmente en océanos y mares que no son directamente aprovechable para los seres humanos. La otra parte es agua dulce y está ubicada en lagos, lagunas, ríos, glaciares y aguas subterráneas. El agua salada representa entre un 97 y 98% del total, mientras que el agua dulce representa solo entre un 2,4 y 2,7%.

En otras palabras, el agua que en general requieren los seres humanos no es tan abundante como a primera vista parece, este planteamiento se complementa con que 69% del agua dulce se presenta de forma sólida en casquetes polares y en los glaciares de montaña, muy alejados de los centros poblados, además un 30% del agua dulce se encuentra conformando el agua subterránea, que para su utilización requiere de bombeo y consumo de energía. Es decir, aproximadamente el 1% del agua dulce que corresponde al 0,02% del agua total, se encuentra en lagos, lagunas, embalses, ríos, caños y quebradas, que son consideradas de fácil acceso para satisfacer las necesidades de la población humana.

El volumen total de agua en el planeta se estima es de 1,4 billones de km3, y una gran porción de este, se encuentra en constante movimiento y circulación, conformando lo que se conoce como ciclo del agua o ciclo hidrológico. Este último en su concepción básica plantea que en el planeta existen grandes depósitos de agua por ejemplo: los océanos, la atmósfera y los continentes.

Entre estos depósitos el agua se transfiere mediante los denominados procesos hidrológicos como: precipitación, evaporación y condensación, que implican cambios de estado del agua que circula entre ellos y requieren de energía. Internamente dentro de cada uno de los depósitos, existen procesos hidrológicos específicos por ejemplo: en los continentes se presentan procesos como infiltración, escurrimiento y recarga del agua subterránea. En resumen el ciclo hidrológico se activa por la radiación solar, es complejo y su funcionamiento genera la falsa sensación de que el agua dulce es un recurso inagotable.

Punto de congelación del agua

Punto de congelación del agua

Como se indicó anteriormente las moléculas de agua se encuentran unidas entre sí a través de puentes de hidrógeno, una unión relativamente fuerte que requiere un suministro importante de energía para separarla, por esta razón el agua presenta ese elevado punto de ebullición y también presenta un punto de congelación menor que el esperado. El punto de congelación, también llamado de congelamiento, en un líquido es la temperatura a la que se debe someterse una sustancia para qué pase del estado líquido al sólido, producto de una reducción en la energía cinética de las moléculas que lo constituyen. El punto de congelación del agua es de 0 °C, lo que implica que a temperaturas inferiores a esta, el agua se encontraría en estado sólido.

La densidad de una sustancia se refiere a la relación entre la cantidad de materia y el espacio o volumen que ocupa, en el caso del agua es de 997kg/m³ pero para la mayoría de cálculos sencillos se redondea a 1kg/m³. En general la mayoría de sustancias, cuando cambian de estado líquido a sólido, experimentan una disminución significativa en su densidad, es decir, que aumenta el empaquetamiento entre sus componentes, sean átomos o moléculas. Sin embargo el agua no cumple con esta regla, en otras palabras, la densidad del agua en sólido es menor que en el estado líquido, lo que explica por qué un cubo de hielo flota en un refrescante vaso de agua.

En el punto de congelación ocurrirá la transición del estado líquido a sólido, mediante un proceso conocido como congelamiento. En la mayoría de sustancias el punto de congelación y fusión son el mismo, aunque siempre hay excepciones, por ejemplo el caso de la sustancia carragenina conocida como agar-agar, que experimenta un proceso llamado histéresis. El punto de congelación del agua es el mismo que el punto de fusión, es decir 0 C°, a esta temperatura parte de la sustancia estará en estado sólido y la otra parte en estado líquido, lo que significa que si aumenta la temperatura pasara en su totalidad al estado líquido, y si desciende se congelara por completo.

En muchos textos los términos congelación y solidificación se emplean como sinónimos, aunque entre ambos existe una diferencia técnica, la congelación representa una etapa de transición, esta explica que si la temperatura de un líquido disminuye por debajo del valor critico provoca la cristalización, a diferencia de la solidificación que comprende un proceso semejante pero afectado por los cambios en la presión.

Aprende más sobre la congelación del agua aquí.

Implicaciones del punto de congelación del agua en el sistema terrestre

Implicaciones del punto de congelación del agua en el sistema terrestre

Como se mencionó previamente el agua está llena de particularidades que la diferencian de otras sustancias y que le permiten cumplir una destacada labor en los ecosistemas y en la fisiología de los seres vivos. Un concepto ampliamente conocido y que se encuentra relacionado con el comportamiento y propiedades del agua, es el pH y su famosa escala que varía entre 0 y 14. Para el agua pura a 25°C el pH es igual a 7, condición identificada como neutralidad, por debajo de 7 una disolución es ácida y por encima de 7 es básica.

Cuando la temperatura del agua desciende por debajo de su punto de congelación su densidad disminuye debido a un cambio estructural que trae como consecuencia un incremento en su volumen, un ejemplo casero ocurre al introducir un recipiente con agua líquida al refrigerador, muchas veces este se rompe o quiebra, por efecto del aumento de volumen que supera el 10% , esto explica el por qué las grandes masas de hielo desprendidas de los casquetes polares flotan a la deriva en los mares y océanos, lo que parece un evento sin importancia pero gracias a él, la superficie glaciar permanece congelada a pesar de que en el fondo exista agua en estado líquido, lo que permite el tránsito de la vida acuática. En otras palabras, esta propiedad es la que evita que los lagos se congelen de abajo hacia arriba eludiendo consecuencias negativas para los ecosistemas acuáticos.

La resultante originada por la interacción entre la fuerza que mantiene unidas las moléculas de agua y las fuerzas de adhesión de estas moléculas a otras sustancias, explican la ocurrencia de la tensión superficial y como consecuencia de ella la superficie del agua se observa como una membrana estirada. Este fenómeno sustenta la existencia del menisco cóncavo en algunos recipientes, el fenómeno de capilaridad y las observaciones de insectos movilizándose sobre la superficie del agua, así mismo justifica las hojas acumuladas sin hundirse en la parte superior de algunos cuerpos de agua.

Es importante destacar que el punto de congelación del agua se ve afectado por la cantidad de sustancias disueltas, en general se plantea que el punto de congelación disminuye cuando incrementa la cantidad de sales disueltas, es decir, requieren una menor temperatura para congelarse. En otras palabras, las aguas de mares y océanos requieren una temperatura menor para congelarse que las aguas continentales en lagos y lagunas. En este sentido, se ha reportado que las temperaturas de algunos océanos necesitan disminuir varios grados debajo de cero para congelarse.

Conclusión

El agua jugó un papel fundamental en el desarrollo de las primeras formas de vida, contribuyó a su evolución y actualmente es responsable de su presencia en el planeta, por lo que hace posible el milagro de la vida todos los días, considerándose para muchos un líquido vital ya que esta sustancia se comporta de forma única y posee particularidades que le permiten comportarse como lo hace.

Se conoce que la mayor proporción de agua en el planeta se encuentra con elevados contenidos de sales disueltas en los mares y océanos. El agua dulce, es decir la requerida por los seres humanos, sólo es un pequeño porcentaje del volumen total del agua existente en el planeta, no obstante la circulación continúa de esta mediante el denominado ciclo hidrológico produce la falsa sensación de que es un recurso inagotable.

Como ocurre en la mayoría de sustancias el punto de congelación del agua es el mismo valor que el punto de fusión, que en este caso es 0 C°, esto implica que a esa temperatura el agua no está del todo solida ni del todo liquida, pero si desciende a valores inferiores se congelará por completo y si aumenta se mantendrá liquida en su totalidad. De igual forma es importante la diferencia técnica entre congelación y solidificación y las implicaciones de ambos en el comportamiento de esta sustancia a nivel global.

La comunidad científica manifiesta una elevada sensibilidad sobre los efectos que el cambio climático pudiera causar sobre el ciclo hidrológico y sobre la disponibilidad y distribución del agua en el planeta, en especial las consecuencias sobre una población en constante crecimiento y que demanda mayor cantidad del vital liquido no solo para el consumo, si no para satisfacer muchas otras de sus necesidades.

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