¿Por qué el agua se evapora a temperatura ambiente?

En la escuela nos enseñaron que cuando el agua hierve, cambia de fase de líquido a vapor. Para provocar este cambio, se requiere una temperatura alta, llamada punto de ebullición. Para el agua, este punto es 100oC. Sin embargo, recuerde que cuando llueve, los charcos se evaporan después de que el cielo se despeja, especialmente cuando sale el sol. En la evaporación, la fase del agua también cambia de líquido a vapor, y esto ocurre a temperaturas que no se acercan a los 100oC.

¿Entonces, por qué pasa ésto?

La respuesta está en las propiedades físicas y químicas de las moléculas de agua y los enlaces formados entre esas moléculas (enlaces intermoleculares).

Propiedades químicas de las moléculas de agua

Una molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. Los enlaces entre los átomos de O y H se forman al compartir electrones. Estos enlaces se denominan enlaces covalentes. Cada elemento tiende a alcanzar el estado energéticamente más bajo (es decir, el estado más estable) al perder o ganar electrones para alcanzar la configuración de gas noble más cercana.

El oxígeno contiene seis electrones en la capa más externa y requiere dos electrones para completar el octeto y entrar en la configuración del gas noble Neon. El hidrógeno tiene un electrón en su capa más externa y, al ganar un electrón, puede alcanzar la configuración del gas noble helio. Por lo tanto, un átomo de oxígeno comparte dos electrones y dos átomos de hidrógeno comparten un electrón cada uno para formar una molécula de agua, es decir, H2O.

Diagrama de agua, hidrógeno, oxígeno, H2O

Una molécula de agua tiene una forma ligeramente doblada debido a los electrones del átomo de oxígeno. Esto contribuye al enlace de hidrógeno intermolecular.

El oxígeno tiene una alta tendencia a atraer electrones hacia sí mismo. Esta propiedad se llama electronegatividad. Debido a la alta electronegatividad, los electrones pasan más tiempo cerca de O y se desarrolla una carga negativa parcial en O. Asimismo, se desarrolla una carga positiva parcial en H. La geometría de una molécula de agua es tal que hay una separación de positivos (cerca de dos H átomos) y cargas negativas (en O).

Cuando dos moléculas de agua están cerca una de la otra, el O parcialmente negativo de una molécula tiende a atraer el átomo de H parcialmente positivo de la otra molécula, lo que resulta en un enlace débil, llamado enlace de hidrógeno. Este enlace existe entre dos moléculas diferentes (enlace intermolecular). Dado que un enlace de hidrógeno es débil, se requiere menos energía para romperlo, razón por la cual el agua permanece líquida a temperatura ambiente.

Temperatura y energía molecular

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio que posee una molécula. Cuanto más alta es la temperatura, mayor es la energía promedio y más fácil es para las moléculas vencer la atracción intermolecular y moverse con mayor libertad. Para que un líquido cambie de fase a vapor, es necesario superar dos fuerzas.

Diagrama de estados de Mater cuatro estados Sólido Líquido Gas

El aumento de temperatura aumenta la energía de las moléculas a presión constante, acercándolas a la fase de vapor. (Crédito de la foto: udaix / Shutterstock)

La primera es la atracción intermolecular de moléculas cercanas, llamadas fuerzas cohesivas. El segundo es la presión descendente que ejerce la atmósfera. Cuando un líquido cambia de fase a vapor, sus moléculas han adquirido suficiente energía cinética para superar todas las fuerzas intermoleculares y también superar la presión descendente ejercida por la atmósfera que lo rodea.

Humedad

La cantidad de vapor de agua presente en la atmósfera se llama humedad. A cualquier temperatura dada, la atmósfera puede contener solo una cantidad fija de vapor de agua. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de vapor de agua presente en la atmósfera. La concentración de vapor de agua en la atmósfera tiene un límite superior, más allá del cual no se puede retener vapor de agua.

Evaporación a temperatura ambiente

Suponga que el agua se esparce finamente sobre una mesa. Las moléculas están dispuestas en capas. Las moléculas en la capa superior experimentan fuerzas intermoleculares atractivas solo desde la parte inferior y los lados, mientras que las moléculas dentro de la masa líquida experimentan atracción intermolecular desde todas las direcciones. Por lo tanto, las moléculas en la parte superior experimentan menos fuerzas intermoleculares netas que las que se encuentran dentro de la masa. Como estas fuerzas intermoleculares (enlaces de hidrógeno) son débiles, cuando la capa superior se expone a la luz solar, algunas moléculas obtienen suficiente energía cinética para escapar a la atmósfera a temperatura ambiente.

Ilustración de vector de evaporación.  La sustancia de la superficie líquida etiquetada cambia al esquema de estado gaseoso.  Diagrama de explicación educativa con el fenómeno de la naturaleza cuando el sol calienta el agua caliente y provoca el aumento de vapor.

En la evaporación, a diferencia de la ebullición, solo algunas moléculas en la superficie poseen energía suficiente para entrar en la fase de vapor. (Crédito de la foto: VectorMine / Shutterstock)

Además, cuanto menor sea la humedad, más fácil será que el líquido se evapore. A medida que continúa la evaporación, aumenta la concentración de vapor de agua en la atmósfera. Más allá de un umbral crítico, la atmósfera no puede retener más vapor de agua. A esto se le llama estado saturado. Si no se ha alcanzado el estado de saturación, la evaporación continúa.

Por lo tanto, una combinación de humedad y alta energía molecular hace posible que algunas moléculas en la superficie se evaporen, ¡incluso a temperaturas más bajas!