Empecemos por lo básico.
La fórmula química del agua es H2O lo que significa que una molécula está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, formando más o menos una estructura de este estilo.
Hasta ahí bien.
Pero, a nivel atómico, no todo es tan sencillo. Cada átomo está compuesto de tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. El número de ellos y la proporción de cada uno respecto a los demás, es lo que determina cómo será un elemento químico.
Los protones tienen carga positiva y los electrones negativa, mientras que los neutrones no tienen carga, o es neutra (propuesta para llamarles suizones denegada), tanto da.
Para que un átomo esté en equilibrio, tiene que tener el mismo número de cargas positivas que negativas, es decir, la misma cantidad de protones que de electrones. Lo único que diferencia un elemento de otro, de hecho, es el número de protones que contiene su núcleo.
A primera vista puede parecer que los neutrones carecen de utilidad. Tal vez no deberían existir. Tal vez deberíamos juntarlos todos y prenderles fuego, pero tampoco daría tiempo porque un neutrón aislado apenas dura 15 minutos antes de descomponerse en otras partículas más pequeñas. Pero, bueno, esto no viene el caso.
El agua, con todos sus componentes primarios y siguiendo el esquema de antes, quedaría así (me niego a hacer más círculos con el Paint, así que usaré gatos).
Además de ser necesarios para mantener los núcleos atómicos estables, los neutrones son la causa por la que se forman isótopos de todos los elementos.
Como ya hemos dicho, un elemento químico se caracteriza por el número de protones contiene en el núcleo, eso es inmutable. Pero sí podemos añadir o quitar neutrones de un átomo y seguirá siendo el mismo elemento, aunque sus propiedades cambiarán ligeramente. Es entonces cuando hablamos de isótopos.
Todos hemos oído hablar, por ejemplo, del carbono-14. El carbono tiene 6 protones, y esto es, ha sido y será así para cualquier átomo de carbono en cualquier parte del universo. El «14» que le sigue no es más que el número de partículas que contiene su núcleo (6 protones y 8 neutrones). De la misma manera, existen el carbono 12 y el 13, con seis y siete neutrones. En este caso, decimos que el carbono tiene 3 isótopos estables (porque en realidad existen desde el carbono-8 hasta el carbono-22, pero ninguno de ellos dura demasiado antes de desintegrarse).
Volviendo al agua, los átomos del hidrógeno de los que está constituida son los más simples y abundantes en el universo y se componen de un protón y un electrón. A esta configuración se le llama también protio.
Pero, pese a que esta configuración sea la más común (el 99,98% de la masa total de hidrógeno corresponde a protio), el hidrógeno tiene dos isótopos más: el deuterio y el tritio.
El deuterio tiene en su núcleo un protón y un neutrón, mientras que el tritio tiene un protón y dos neutrones. El tritio nos va a dar bastante igual, ya que es radiactivo y se usa sólo en la industria del armamento nuclear.
Volviendo al deuterio.
Pese a tener una partícula compañera en su núcleo, sus propiedades no varían mucho respecto al hidrógeno normal. La diferencia más notable es que pesa el doble que el hidrógeno corriente, ya que el centro ya no está ocupado por una sola partícula, sino por dos.
El deuterio no tiene ningún problema en enlazarse con oxígeno para formar moléculas de D2O igual que el hidrógeno común forma H2O El D2O tiene el mismo aspecto que el agua corriente, pero una masa un 11% mayor que ésta. De ahí que nos refiramos a ello como agua pesada.
Un efecto curioso que produce este hecho, es que el hielo de agua pesada se hunde en agua normal en estado líquido, como aparece en este vídeo a partir del minuto 6:02.
El color anaranjado (o rosáceo, o lo que cada uno vea) del hielo se debe a que han mezclado una pequeña cantidad de tinte con el agua pesada para poder distinguir bien el experimento.
Luego, ocurre algo curioso: a medida que se funde, el hielo de agua pesada empieza a flotar. El señor del pelo afro canoso dice que esto es porque el hielo pesado se funde a una temperatura ligeramente menor que el agua corriente, así que ésta se vuelve a congelar sobre la superficie del hielo, bajando su densidad total. Pero hay algo que no menciona (y varios comentarios de Youtube parecen concordar conmigo): también contribuye a este fenómeno el hecho de que, al fundirse el hielo, el agua pesada se mezcla con el agua corriente y aumenta la densidad de la mezcla.
Pero bueno, sigamos con el tema que nos concierne a todos.
No se sabe mucho sobre los efectos nocivos sobre la salud del agua pesada.
Teniendo en cuenta que, de manera natural, uno de cada 7.000 átomos de hidrógeno es deuterio, y que el cuerpo humano cuenta con un 75% de agua, lo más probable es que ya tengas de 6 a 8 gramos de agua pesada corriendo por tus venas.
En esas cantidades no debe ser peligroso, porque entonces estaríamos todos muertos.
Lo que sí sabemos es que los enlaces que se forman entre el deuterio y el oxígeno en el D2O son un poco más fuertes que los del H2O.
También sabemos que muchos procesos químicos que nos mantienen vivos requieren de la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno. Al necesitar más energía para romper las moléculas de D2O, estos procesos podrían ralentizarse o detenerse por completo, matándonos de alguna manera.
Oye, pero no me ha quedado una cosa clara del todo… Si el deuterio pesa el doble que el hidrógeno, ¿Cómo es que el agua pesada sólo pesa un 11% más que el agua normal? ¿No debería pesar también el doble?
El hidrógeno es sólo uno de los componentes del agua. Una molécula de H2O consiste en dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, mucho más pesado. Como protones y neutrones tienen masas muy parecidas, y los electrones pesan tan poco que se pueden despreciar, tomemos la masa de una partícula como 1.
El oxígeno tiene en su núcleo 8 protones y 8 neutrones, lo que le da una masa de 16 que, sumada a la masa de los dos átomos de hidrógeno, nos da una masa total de 18 para la molécula de agua.
En el caso del deuterio, el número total de partículas en la molécula ascendería a 20 al haber dos neutrones nuevos en el sistema. Podemos compararlo (más o menos) aquí.
Por tanto el agua pesada (con 20 partículas) será un 11.11% más masiva que el agua corriente (con 18 partículas). Locos del 11:11, manifestaos.
Y ahora, un breve mensaje publicitario.
Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, «Las 4 fuerzas que rigen el universo«, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro «viejo» («El universo en una taza de café«) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂
