¿De qué están hechas las burbujas cuando hierve el agua?

Si alguna vez ha hervido agua, habrá notado que a medida que el agua se calienta, se forman burbujas muy pequeñas que se elevan de abajo hacia arriba. Inicialmente, las burbujas son pocas y distantes entre sí, pero a medida que el agua se calienta, comienzan a formarse más burbujas de mayor tamaño. Aumentar aún más el calor da como resultado burbujas aún más grandes que se forman con bastante frecuencia y suben inmediatamente a la parte superior. Esta escalada alcanza su punto máximo cuando el agua comienza a hervir.

Pero, ¿por qué el agua hirviendo hace burbujas?

La respuesta a eso tiene que ver con la química del agua en sí. Más específicamente, tiene que ver con todas las sustancias disueltas en el agua, así como con la naturaleza de los enlaces entre las moléculas de agua.

Propiedades químicas de las moléculas de agua

Cada molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O). Ambos átomos de H están unidos covalentemente al único átomo de O. Cada elemento de la naturaleza se esfuerza por alcanzar un estado de energía lo más bajo posible. Este estado se logra perdiendo o ganando electrones para alcanzar la configuración de gas noble más cercana.

¿El agua es polar o no polar?

Ilustración de una molécula de agua

Un átomo de oxígeno tiene seis electrones en su capa de valencia (más externa). El gas noble más cercano, Neon, tiene ocho electrones en su capa de valencia. Por lo tanto, O tiene una fuerte tendencia a ganar dos electrones y alcanzar una configuración electrónica estable (entrar en el estado de energía más bajo). Un hidrógeno tiene un electrón en su capa de valencia, mientras que el gas noble más cercano, el helio, tiene dos electrones en su capa de valencia. Por tanto, H tiende a ganar un electrón para lograr una configuración electrónica estable.

Ambos átomos de H comparten un electrón cada uno con O, mientras que O comparte dos electrones, uno para cada H. Este es un enlace covalente. El oxígeno tiene una fuerte tendencia a atraer electrones compartidos hacia sí mismo, debido a una propiedad llamada electronegatividad. Por lo tanto, los electrones pasan más tiempo cerca del átomo de O que el átomo de H, lo que da como resultado una carga parcial negativa en O y una carga parcial positiva en H.

La geometría de una molécula de agua es tal que las cargas no se cancelan y hay una separación de los centros de carga (polarización). Cuando dos moléculas de agua con ligera polarización se acercan entre sí, el O parcialmente negativo de una molécula atrae al H parcialmente positivo de la otra molécula para formar un enlace intermolecular débil. Esto se llama enlace de hidrógeno y es la fuerza responsable de mantener unidas las moléculas de agua.

Fuertes enlaces de hidrógeno en el agua

Enlace de hidrógeno visualizado.

Como el enlace de hidrógeno es débil, el agua permanece líquida a temperatura ambiente y, a medida que aumenta la temperatura, las moléculas ganan más energía para superar el enlace de hidrógeno intermolecular. A 100oC, la energía es suficiente para que las moléculas se liberen.

Sustancias disueltas en agua

La disolución de una sustancia en otra solo es posible cuando existe una interacción entre las moléculas de las dos sustancias. Asimismo, algunos gases, por ejemplo, O2, CO2, N2, NH3 y SO2, se disuelven en agua porque existe una interacción atractiva entre las moléculas de agua y las moléculas de gas.

Hay dos formas en que los gases pueden disolverse en agua: enlace de van der Waals y enlace de hidrógeno.

Las moléculas heteronucleares (es decir, que tienen átomos de diferentes elementos), como NH3 o CO2, tienen una diferencia de electronegatividad entre los átomos. N y O son más electronegativos que H y C, respectivamente. Por tanto, N y O permanecen parcialmente negativos y H y C se vuelven parcialmente positivos. Esto conduce a la polarización parcial de las moléculas de NH3 y CO2.

Los extremos negativos (N y O) son atraídos por el H parcialmente positivo del agua; mientras tanto, los extremos positivos (H y C) son atraídos por el O parcialmente negativo del agua. Este es el enlace de hidrógeno. Cuanto mayor es la polarización de la molécula gaseosa, mejor se disuelve en agua.

Las moléculas homonucleares (es decir, que tienen átomos del mismo elemento), como O2 y N2, son apolares y escasamente solubles (muy baja solubilidad) en agua. Las débiles fuerzas de atracción de van der Waals mantienen estos gases con moléculas de agua. Estos son mucho más débiles que las interacciones dipolo-dipolo.

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Las fuerzas de van der Waals débiles surgen debido a un cambio en la distribución de electrones de carga alrededor de los átomos, lo que resulta en una polarización inducida temporal. (Crédito de la foto: magnetix / Shutterstock)

La solubilidad de los gases en agua disminuye a medida que aumenta la temperatura.

La secuencia de eventos cuando el agua hierve

Tomemos agua líquida a temperatura ambiente (25oC). A esta temperatura, la solubilidad del O2 es de 8.27 mg / L y la del CO2 es de 1.5 g / L. A medida que aumenta la temperatura, las moléculas de gas y agua ganan más energía cinética. Esta energía facilita que todas las moléculas superen la atracción intermolecular. A 50oC, la solubilidad del O2 disminuye a 2,75 mg / L y la del CO2 a 0,75 g / L. Esta disminución de la solubilidad significa que las moléculas gaseosas pueden superar las débiles atracciones intermoleculares. Dado que las moléculas de gas tienen densidades más bajas que las del agua, suben a la superficie como burbujas. Las moléculas homonucleares como N2 y O2 burbujean a temperaturas más bajas debido a las débiles fuerzas de van der Waals. El aumento adicional de la temperatura da como resultado el burbujeo de moléculas polares como el CO2 y el NH3, que se mantienen mediante interacciones dipolo-dipolo.

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Moléculas de gas burbujeando fuera del agua. (Crédito de la foto: Egoreichenkov Evgenii / Shutterstock)

Este burbujeo continúa hasta que se alcanza el punto de ebullición del agua. El calentamiento del agua no es completamente uniforme, lo que significa que hay regiones de temperaturas más altas y más bajas. A temperaturas superiores a 90 ° C, algunas moléculas de agua cercanas al fondo obtienen suficiente energía para pasar a la fase de vapor. Se forman regiones de agua gaseosa, que están indicadas por enormes burbujas que se elevan desde el fondo. Además, debido al vigoroso movimiento de las moléculas, el calentamiento por convección eleva aún más la temperatura. A 100oC, casi todas las moléculas de agua tienen suficiente energía cinética para pasar a la fase de vapor y ¡las burbujas de vapor de agua comenzarán a subir rápidamente!