@Zamuro Z:
Gracias a ti por leerte y comentar la parrafada de ECP-SBS que, como texto de Virgilio, no por un buen contenido se hace más liviano A este respecto, nada que añadir: personalmente, después de haber leído a ECP-SPS, sigue sin quedarme claro por qué un simple “porque tiene cohesión” explica que el hielo flote… Lo del Gallus gallus (en cursiva, si nos ponemos puretas), no lo tendría en cuenta: en el texto hay algunos otros patinazos de tecla debidos, supongo, a la presteza en escribirlo, de modo que un detalle así es pecata minuta.

Respecto de los clatratos y quemarlos, ya ECP-SPS dio la explicación de cómo “quemados” como CO2 contribuyen menos al efecto invernadero. El problema viene cuando los quemamos antes de que salgan masivamente a la atmósfera, es decir, los quemamos antes de que constituyan un peligro inminente, en vez de buscar alternativas que no arrojen más CO2 a la atmósfera.

Aún así, la explicación del “agroso”, por más que mareemos la perdiz, no se sostiene completa: “porque el agua tiene cohesión” ¿Es que acaso el hielo no? No dice que “tenga más cohesión”, dice “que la tiene” y eso estaría en contraste entonces con el hielo “que no la tendría”; si asume que el hielo también la tiene, entonces debería haber establecido el comparativo. Y el colofón “y se hunde” ¿se deduce de que “tiene cohesión”? El hielo también la tiene ¿no? ¿O es que el “agroso”, como se desprende de su explicación, supone que el hielo no se hunde porque no tiene cohesión?

La verdad, sigo sin ver que “el agroso” fuera el más inteligente del aula, sobre todo si Ud. admite que pudo ser por pura casualidad (y analizando lo que dijo, hay cosas que no encajan aunque otras sí). Supongo que el profesor no le haría burla, pero si el “agroso” conocía toda esta explicación que nos ha dado (es decir, de verdad sabía lo que se decía y su momento fue de gloriosa inteligencia) lo normal es que lo hubiera expuesto, que para eso estaba en la Universidad (al menos donde yo he estudiado, se hace así, hasta cuando alguien soltaba una barbaridad evidente, pues siempre es interesante ver por dónde va el razonamiento del alumno y extraer enseñanza de ello, o al menos ver sus carencias). Además, hubiera tenido oportunidad de darles en las narices a sus compañeros alumnos que se burlaban de él. Todo esto, por las noticias que tenemos, no debió de ocurrir. A lo mejor si hubiera dicho “la gallina” (que por cierto se escribe Gallus gallus y lo de Linneo sobra, si no es en publicaciones formales) hubiera quedado mejor delante de todos, porque en vez de tratar de dar una explicación seria y quedar en ridículo, sus compañeros se lo habrían tomado con buen humor, como si hubiera dicho “no tengo ni la más mínima idea”.

Para lo del metano, en efecto, mejor es quemarlo que dejar que se escape, pero mejor que todo es que ni se escape ni lo quememos, y con el calentamiento global, lo del escape lo vamos a tener negro.

Por último, algunas de las propiedades de las moléculas de agua y de los átomos que las componen, y que se han expuesto como razón para el caso del “agroso”, son propiedades emergentes de las partículas atómicas que a su vez tienen propiedades emergentes a partir del nivel de subpartículas, … Y sí, es una limitación metodológica que todos usamos, porque nuestra cabeza no da para más y nuestra explicación del mundo la tenemos que hacer a base de modelos. “Usamos” las propiedades emergentes para explicar el infarto, la tectónica de placas, pero también el comportamiento de las moléculas y átomos. Aquí no se libra nadie (Por cierto, que yo ya me pierdo ¿la Física Corpuscular es Física?).

Gracias por las instructivas explicaciones, ECP-SPS. El fondo musical ya me lo pongo yo, gracias

@ EC-JPR:
Es mejor usar el metano como combustible y quemarlo. Es la alternativa menos contaminante. Cada sustancia tiene un índice de calentamiento global (Global Warning Power, GWP) relativo donde el CO2 es la base con valor 1. El metano disminuye de 72 a 7 a lo largo del tiempo debido a su autólisis (más en http://www.grida.no/publications/other/ipcc_tar/?src=/climate/ipcc_tar/wg1/248.htm de la UNEP). Esos valores estan en base másica, pero ya que la reacción de combustión es de mol a mol, y 1 mol CO2 44 g y 1 mol CH4 16 g, el escape del metano contaminaría de 72*(16/44)= 26,2 a 7*(16/44)=2 a,5 veces más que quemarlo y tener CO2.

El Excelentíssimo Comitê Permanente de la Sociedade pela Proteção do Sabichão (ECP-SPS) se ve en el deber de responder al Sr. Zamuro Z.

Para ello, y lo sentimos, tendremos que seguir un camino largo y tedioso, que intentaremos que sea lo más corto, bucólico y pastoril (como las Églogas de Virgilio, vamos).

Los sólidos cristalinos son estructuras con ordenamientos de largo alcance y estabilidad temporal. Los elementos estructurales (iones, átomos, moléculas) se repiten a lo largo del espacio.
En los gases no hay estructura y los agrupamientos que pueda haber no perduran temporalmente más allá del tiempo de relajación del choque (unos miserables 10-15 s, creemos recordar).
Los líquidos son estructuras con ordenamientos de corto alcance (típicamente unos 6 ~ 20 elementos). Esto se puede ver por ejemplo comparando una difracción de rayos X del hielo con otra del agua. En el primer caso hay un patrón de círculos concéntricos oscuros y blancos de bordes bien definidos. En el segundo los bordes son difusos. ¿Qué significa de corto alcance? Que las moléculas del entorno de una molécula dada tienden a adoptar una orientación preferente, con una distancia intermolecular favorecida, pero que no es posible inferir la orientación de una molécula alejada de la que tomamos como base y que no hay restricción a la distancia entre estas dos moléculas (es decir, que al cabo de un tiempo tanto pueden estar juntas, como a considerable distancia).

Por otro lado, una molécula de agua puede tener al mismo tiempo hasta cuatro puentes de hidrogeno: dos por cada átomo de hidrógeno –con átomos de oxígeno de otras moléculas- y dos por cada uno de los dos pares de electrones del oxigeno central que no están enlazados en la hibridación sp3 (durilla la frase, tediosa la ruta).

Cuando se congela el agua adopta un empaquetamiento poco eficiente en cuanto a empaquetamiento espacial (es decir, poco densa) para poder asegurase repetir en el espacio (es un cristal) el máximo número de enlaces de hidrógeno posible (que resulta ser 3) por molécula. Una buena imagen para verlo es http://www.lsbu.ac.uk/water/ice1h.html, especialmente la molécula inferior de las tres del grupo superior izquierda.
Es tan poco eficiente que hasta casi cabría otra molécula de agua en el anillo hexagonal formado. Y es poco eficiente porque tanto en términos de entropía espacial como de energía interna las moléculas están separadas más de lo que podrían (o lo que es lo mismo, tienen un exceso de energía potencial). Todo esto era lo que había detrás de la frase de mi post previo: “Esas posiciones relativas lo hacen siguiendo una estructura cristalina, lo que implica una cierta ordenación y por tanto ocupación y por tanto densidad”. Breve, elegante y anafórica frase. Respirad, ovejitas. La vereda sigue.

Al fundirse las moléculas son libres para moverse y rotar y entonces intentan localmente llegar a la situación energéticamente más favorable, es decir acercarse y aumentar a 4 el número de enlaces: rotan y se acercan. Pueden hacerlo ya que no tienen que adaptarse a todas la moléculas que tengan cerca, si no sólo a las que les interese (por hacerlas más humanas). La molécula de al lado que sobre ya se buscara la vida. Es la gracia del estado líquido. Los incrédulos pueden leer “The high density of liquid water is due mainly to the cohesive nature of the hydrogen-bonded network, with each water molecule capable of forming four hydrogen bonds. This reduces the free volume and ensures a relatively high-density, partially compensating for the open nature of the hydrogen-bonded network.” en http://www.lsbu.ac.uk/water/explan2.html#g apartado “D4 Liquid water has a high density that increases on heating (up to 3.984°C)” ; y aquellos con necesidad de ayuda visual animada vayan a http://www.lsbu.ac.uk/water/oct.html. (N.B. que en la animación es un cluster de 8 moléculas en el que parece que se pasa de 9 a 6 enlaces. Esto es así dentro del dímero, pero pensad que los oxígenos momentáneamente libres se enlazan en ese momento y por un momento con los hidrógenos de otras moléculas que pasan por ahí y al momento siguiente con otros que haya). En promedio temporal aumenta el número de enlaces de hidrógeno. No hay ningún lapsus.

Y es que ahí está el error conceptual del Sr. Zamuro Z.. En química, a escala microscópica, nada es permanente, sino que lo que observamos a escala macroscópica es un resumen de los diversos estados microscópicos observables –cada uno con una frecuencia de aparición dependiendo principalmente de su nivel energético, pero también de su factor estérico, etc.. -. O dicho más fácilmente, si se rompe un puente de hidrógeno porque pasamos un cuchillo en agua líquida no hace falta traer las tiritas, esa molécula rápidamente se reorienta –tiene libertad de movimiento, no como el sólido- para enlazar con otra molécula víctima de esta cruel aquatomia, recuperando la energía desprendida en la rotura y no pasando casi nada (excepto el cuchillo de lado a lado). Con el hielo esos enlaces se rompen pero no tienen fluencia para volverse a unir. En el primer caso se recupera la energía de rotura, en el segundo hacemos todo el esfuerzo (ejercicio para el lector: pruebe a hacer unos escalones en el hielo de la canal de Maladeta II hasta hacer cumbre. Note como se cansa. Escriba una redacción sobre el particular, sin olvidar de relatar el bonito paisaje e incluyendo las ovejitas que pastan el Plan del Hospital de Benasque y que se han quedado atrás).

Nos reiteramos: “el agroso” acertó con su explicación: “A groso modo, porque el agua líquida tiene cohesión y se hunde» que tuvo dos grandes virtudes, la certeza y la brevedad. Además, empleó la palabra clave: “cohesión”. No dijo en ningún momento “gallina”, fuera “longhorn” o “del prat”. A Nos no nos importa si lo dijo porque recordó vagamente, o tuvo suerte, o lo razonó, o ahí se le fundieron las neuronas del esfuerzo y quedaron inútiles para toda la carrera, o se lo chivó una zarigüeya bizca dispsomana que pasaba por ahí. Lo importante es que acertó. Es el aumento de cohesión –que, eso sí, pasa de general a local- el que hace que el agua aumente su densidad entre 0º a 4º C y que por tanto de que el hielo flote.

Ovejitas, la meta está cerca. Descansad un momento y oíd (Haendel Messiah (HWV 56)):
3. Air
Tenor
Ev’ry valley shall be exalted, and ev’ry moutain and hill made low; the crooked straight and the rough places plain. (Isaiah 40: 4)

En el momento que lo dijo “el agroso” fue el más inteligente del aula, sobre todo más que el profesor que debería haber comprendido las implicaciones de la frase perfectamente.

Continuamos considerando que hacer burla de alguien que tiene razón, es la mayor negación de vida intelectual que pueda haber. Ese es el camino de las dictaduras.

—Esa mujer es un desecho de su sexo, y no os desapruebo por haber mantenido cerrada la boca. Mas ¿acaso hubiera protestado alguien si se hubiera tratado de una santa? Esa Calabaza es lo que es y, no obstante, hoy tenía la justicia a su favor, o sea a Dios y a sus ángeles. (Opus Nigrum, Margerite Yourcenar)

Por tanto retamos al Sr. Zamuro Z. a que cumpla con sus palabras “Podía haber dicho “la gallina” y seguro que hubiéramos encontrado algo relacionado con la verdadera razón, y que cuadrara más que la cohesión.” y nos proporcione próximamente una explicación racional de porque el hielo flota en agua gracias al ejemplar hembra de Gallus Gallus (Ln). El duelo será a primera sangre, ya que alguien me presenta a Von Bertalanffy merece credibilidad intelectual.

En cuanto a si es química o física, esto es química y me remito a mi primer comentario. El que no podamos explicar esto, la deriva continental, el mecanismo de un infarto o el funcionamiento de un programa informático a partir de la física se debe a motivos de orden práctico, pero sobre todo a nuestra ignorancia –de ahí que parezcan salir “propiedades emergentes”-. Sentarnos sobre ella no nos hará mejorar, aunque levantarnos de ella puede requerir varias generaciones de genios.

Ovejitas, escuchad (Haendel Messiah (HWV 56))
4a. Recitative
Soprano
There were shepherds abiding in the field, keeping watch over their flocks by night. (Luke 2: 8)

Ovejitas, descansad.

(Menos mal, pensábamos que se llegaría a explicar las teselaciones no periódicas de Penrose)

Atentamente,

El Excelentíssimo Comitê Permanente de la Sociedade pela Proteção do Sabichão (ECP-SPS)

Y, en cuanto al tema científico, lo de los patinadores me ha parecido curiosísimo… Me apunto el frikidato Por lo de los clartratos, déjame que me tire a la piscina, pero… dentro de lo malo que sería que se liberasen, ¿no sería preferible usarlos antes como combustible? Digamos que así sólo contaminarían una vez. Dame una colleja si he dicho una burrada

En efecto, es una anomalía del agua, y la causa es lo que acabas de decir: Al tener que expandirse para congelarse, si aplicamos presión impedimos aún más que las moléculas se separen y por tanto que se congele el agua. Es muy importante para los patinadores de hielo, ya que las cuchillas ejercen presión, el hielo se funde momentáneamente y el patinador se desliza mucho mejor; luego el agua, una vez pasado e patinador, se vuelve a congelar. En los glaciares pasa lo mismo, produciéndose fusión en su base y mejorando el deslizamiento.

Respecto del blog, SOY UN VAGO REDOMADO Y UN INCONSTANTE, y sólo de pensar que tengo que hacer algo más o menos periódicamente, [que no sea con la ropa quitada o moviendo el bigote] me da muchííííísima pereza. Así que prefiero soltar alguna así, larga explicación, cuando me apetece y el tema se tercia.

Lo de los catratos es muy serio y ya hemos sido advertidos, pero parece que aún no ha calado hondo entre el personal que tiene que tomar decisiones. Al contrario, como pueden servir como combustibles, hay algún bárbaro que ya piensa en explotarlos para energía. MÁS CO2 A LA ATMÓSFERA.

@Alvarodelcastillo:
Lo del “anclaje al fondo” nunca funcionaría: el principio de Arquímedes es implacable Es lo que ocurre con los domos de sal: formaciones geológicas (Zamuro, corrígeme si meto la pata) originadas por desecación de masas de agua que, cuando se ven cubiertas por una capa de sedimentos más densa que ellas, emergen a la superficie. De hecho, creo recordar que la población navarra de Salinas de Oro debe su nombre a eso.
Y, por lo de “¡viva el agua!”, ¿eso no se suele decir a las diez de la mañana, no a las diez de la noche? (¿¿Veintipico?? Yo pensaba que eran taitantos… )

@Zamuro Z:
Ya te lo he dicho varias veces, pero lo repito: ¿te has planteado alguna vez escribir un blog? ¡Qué lujo de explicación! Un poco apocalíptica , pero un huevo de interesante. Nada que comentar (me has dejado sin palabras), sólo que me la apunto.
No sabía que el aumento de presión descendiese la temperatura de congelación Pero, una duda: ¿eso se aplica a cualquier fluido, o sólo al agua, por la razón que comentas de que tiene que expandirse?

@ECP-SBS:
jejejeje Me ha encantado el comentario Y lo del QED ha sido la guinda del pastel: sólo ha faltado el cuadrito ▄ Eso sí: dudo mucho que un estudiante de 1º de carrera (como era el caso de la especie protegida) fuese capaz de hacer un razonamiento así de elaborado, correcto o no, y máxime dadas sus habilidades intelectivas probadas a lo largo de años encallado en diferentes cursos.

@Zamuro Z:
¡¡La gallina!! JAJAJA Me la apunto
Y, en cuanto a la diferenciación física/química, me parece más una sutileza terminológica. De hecho, si nos ponemos puristas, todo se reduce a la física que rige las interacciones entre átomos (electrón para aquí, carga positiva por allá…), pero no hay nadie que explique así el mecanismo de un infarto o el funcionamiento de un programa informático.

Por partes. El “agroso” dio una explicación lo suficientemente vaga e imprecisa (cohesión) como para que cuadre casi con cualquier cosa. Ahora veremos si aún así, tuvo visos de “acertar”.

Leída detenidamente tu explicación, veo una errata en “Estos movimientos rotacionales sitúan las moléculas de tal manera que aumenta el número de enlaces de hidrógeno por unidad de volumen (aumenta su cohesión)”; será disminuye el número de puentes de hidrógeno (creo que es un lapsus ¿no?).

Salvado esto, sigue “chirriando” algo en la explcación. Veamos: dado que los puentes de hidrógeno forman una estructura más o menos rígida en el hielo, la unión entre sus moléculas es más fuerte que la unión entre las moléculas en el agua líquida, y juraría que la cohesión depende precisamente de las fuerzas de unión entre las partículas (en este caso moléculas de agua). Por lo tanto, no veo que haya más cohesión en el agua líquida que en el hielo, sino al contrario; no hay más que coger un cuchillo y ver qué separamos más fácilmente si las moléculas de agua o las del hielo.

En consecuencia, creo que el “agroso” no acertó ni de casualidad. Podía haber dicho “la gallina” y seguro que hubiéramos encontrado algo relacionado con la verdadera razón, y que cuadrara más que la cohesión.

Respecto de si es física o química, para mí depende del detalle con que lo mires desde un punto de vista de la Teoría General de Sistemas. Si lo estudias como cambio de estado, temperatura, masa, volumen, … es física; si lo estudias a nivel molecular (enlaces, estructura cristalina, movilidad de las moléculas) es química (y cristalografía). Pero esto pasa con todo. Yo trabajo en CC. de la Tierra y sé que en el fondo los procesos geológicos funcionan porque hay una física y una química subyacentes, pero es imposible explicar la evolución de todo un continente durante millones de años a base de las propiedades moleculares de sus componentes. Hay que ponerse a un nivel alto para poder hacerlo, ya que en los niveles sueriores hay propiedades emergentes, que no están en los niveles inferiores (es una cuestión metodológica).

Recomiendo lectura de “La Teoría General de Sistemas”, de Von Bertalanffy, que es muy clarificadora en este sentido.

Y pasemos a demostrarlo. Es cierto que el agua sólida flota sobre la líquida porque, contrariamente a la mayoría de substancias, el sólido es menos denso que el líquido en el rango de temperaturas donde ambos estados pueden coexistir.

Pero, ¿por qué es más densa en forma líquida? El motivo principal es que las moléculas de agua -sólida, líquida o gaseosa- por su configuración geométrica y electrónica, forman puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno son uniones, normalmente intermoleculares, entre un átomo de la molécula con déficit de carga electrónica –por lo general hidrógeno- con otro átomo con exceso de carga electrónica- en este caso el oxígeno de nuestro H2O-. Los puentes de hidrógeno se combinan con las fuerzas de atracción y repulsión electroestáticas y con el movimiento térmico de las partículas. A 0º, por ejemplo, la suma de las fuerzas de atracción y puentes de hidrógeno es superior a las fuerzas derivadas del movimiento térmico y las de repulsión. Las moléculas de agua se quedan fijas en sus posiciones relativas: macroscópicamente observamos que se ha solidificado. Esas posiciones relativas lo hacen siguiendo una estructura cristalina, lo que implica una cierta ordenación y por tanto ocupación y por tanto densidad.

Si se aumenta la temperatura, aumenta el movimiento térmico y las moléculas de desplazan. Vemos que se convierte en líquido. Las moléculas no sólo se mueven con movimientos de translación, sino con movimientos de rotación (y además siempre tenemos los movimientos internos de vibración, tensión angular en el plano molecular, fuera de él, etc…). Estos movimientos rotacionales sitúan las moléculas de tal manera que aumenta el número de enlaces de hidrógeno por unidad de volumen (aumenta su cohesión) y por tanto las moléculas se acercan entre sí, incrementando la masa por unidad de volumen, es decir el peso –en un sistema gravitatorio- por unidad de volumen, es decir la densidad. Y como pesa más (que el hielo) se hunde (respecto al hielo). Como aumenta su cohesión se hunde. Q.E.D.

A unos 3,98 ºC este efecto es máximo y también la densidad. Luego, la energía térmica de translación supera a la energía de los puentes de hidrógeno y estos se forman en promedio en menor número y tiempo, con lo que las moléculas se alejan entre ellas, disminuyendo la densidad.

Así que, uno: “el agroso” dio una explicación perfectamente válida, sólo que como no fue en lenguaje científico estándar no fue entendida. No era un capullo –al menos, no por esto-, sólo un incomprendido. Dos: algo sabía de química. Sí, es química. Ya que este razonamiento se basa en su composición atómica. Y ese es el rasgo distintivo entre química y física según el DREA.

químico, ca.
(Der. del ant. quimia).

4. f. Ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica.

física.
(Del lat. physĭca, y este del gr. τὰ φυσικά, n. pl. de φυσικός).
1. f. Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, considerando tan solo los atributos capaces de medida.

Aunque la química no es más que física mal explicada por la ignorancia humana. No creo que nadie haya podido calcular la temperatura a la que la densidad del agua es máxima a partir de las ecuaciones de Boltzmann, Maxwell y otras.

Atentamente,

El Excelentíssimo Comitê Permanente de la Sociedade pela Proteção do Sabichão (ECP-SPS)