Isotopos y agua pesada

Volvemos en CLUSTER, no en un mes como habíamos comentado inicialmente, sino en dos meses, no obstante con uno de esos experimentos espectaculares, que hacía mucho tiempo que quería realizar. 

Se trata de un experimento sencillo, pero justamente ahí es donde radica la belleza del mismo. Dos cubitos de hielo, uno con agua normal, y otro con un agua un poco especial, con agua "pesada". ¿Que pasará cuando los introduzcamos en agua líquida? Es necesario decir que el agua líquida utilizada no tiene ningún componente extra...es simplemente agua destilada.

EXPERIMENTO

Observa el siguiente vídeo:

Efectivamente, el hielo formado a partir de agua destilada flota. Eso se debe a la densidad del agua sólida, respecto a la del agua líquida. La estructura sólida del agua posee muchos mas huecos que la del agua líquida, en la que las partículas fluctúan mucho mas libremente, ocupando los huecos, y por tanto dismuyendo su volumen y aumentando por tanto su densidad.

¿Pero qué ha pasado con el otro hielo? ¿Porque se hunde?

EXPLICACIÓN DEL EXPERIMENTO

Lo cierto es que no se trata de agua destilada normal, sino de agua pesada, también conocida como agua deuterada, es decir con el isotopo deuterio. Para mayor explicación entra en el siguiente vídeo:

Efectivamente los ISÓTOPOS de un elemento son átomos de un mismo elemento con el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. El número de protones (también llamado número atómico), indica qué tipo de elemento químico tenemos. Así, por ejemplo, un átomo con número atómico de 1 indica que tenemos hidrógeno, un número atomico de 2 indica que tenemos helio, y un número atómico 39 indica que tenemos indiscutiblemente Ytrio.

No obstante, y aunque el número de protones indique que tenemos de forma clara el elemento que tenemos, no todos los átomos de hidrógeno serán iguales, ya que poseerán diferente número de neutrones. A éstos átomos de un mismo elemento con diferente número de neutrones se les denomina ISOTOPOS. Los primeros isotopos descubiertos fueron los isótopos del Neón (20-Ne y 22-Ne). Actualmente son fácilmente detectables a partir de métodos de espectrometria de masas. No todos los isotopos se encuentran en la naturaleza en la misma proporción, así en el caso del hidrógeno, el protio se encuentra en una gran mayoría, mas de un 99%. 

Al cambiar todos los hidrógenos de las moléculas de agua (que recordemos que son protios), por deuterios, estamos de hecho, añadiendo dos neutrones mas a la molécula de agua, haciéndola mas pesada, dos unidades de masa atómica mas pesada. Y haciendo por tanto que ésta no flote en agua destilada. En esta foto podemos observar tanto el hielo de agua destilada normal (arriba), como el hielo de agua deuterada (abajo).

Simulación realizada a ordenador donde las moléculas de agua van cayendo al intercambiar los átomos de hidrógeno (protio), por deuterios.

Un hecho curioso que no he mencionado en el vídeo, es que éste cubito de hielo de agua pesada no permanece mucho tiempo hundido. Al cabo de unos segundos vuelve a subir, lo podemos observar en la siguiente secuencia de fotografías:

Una explicación para éste fenómeno es que las moléculas de agua deuterada al calentarse, y al interaccionar con las moléculas de agua "normales", se van intercambiando en el agua sólida, mediante rápidos puentes de hidrógeno. Teniendo el hielo cada vez mas moléculas de agua "normales" y el agua líquida mas moléculas de agua deuterada.

Espero que os haya gustado el experimento, y os espero en el siguiente artículo en CLUSTER. ¡¡Hasta pronto!!

Sergio

PD: Quiero agradecer al CDEC, y especialmente a Fina Guitart su ayuda en la filmación de este experimento.