LAS MICROONDAS Y EL SOBRECALENTAMIENTO

Cuando calentamos agua en un cazo al fuego, por ejemplo, existen puntos del recipiente a más de 100ºC. El agua que está en contacto con esos puntos hierve, forma una pequeña burbuja y sube. En el paso de agua líquida a burbuja se absorve energía, manteniendo el resto del agua a 100ºC. La ebullición normal va entonces acompañada de una continua producción de burbujas.
En el microondas, las moléculas de agua ganan energía del mismo modo que cuando columpiamos a alguien, con pequeños empujones. El agua se va calentando pero no hay puntos calientes que provoquen las burbujas.
Al sacar el agua sobrecalentada del microondas, si le añadimos azucar, café en polvo, etc, actúan de "disparadores": se producen al mismo tiempo un gran número de burbujas que, al expandirse, asemejan una pequeña explosión. Es una situación peligrosa ya que se pueden producir quemaduras graves.
¿Y porqué el agua calentada en el microondas recibe la energía a "empujones"? Debe recordarse que los fotones de microondas tienen muy poca energía; menos que la luz visible, por ejemplo.
Se debe a que los enlaces químicos (O - H en el caso del agua) se comportan como un "muelle cuántico" es decir, como un muelle en el que solamente existen ciertos estados permitidos.

"El papel del microondas aquí es el de calentar el agua molécula a molécula. El enlace químico entre el hidrógeno y el oxígeno de la molécula de agua --en realidad, los dos enlaces H-O-- se puede ver como un muelle con dos pesos a sus extremos que tiene una frecuencia característica (propia) y que vibra cada vez con mayos amplitud, con mayor energía, a medida que se le proporciona energía. Pero se trata de un muelle cuántico, que sólo absorbe ondas electromagnéticas que tengan la misma frecuencia que la frecuencia de oscilación propia del enlace. En el caso del agua, esta frecuencia propia es la de las microondas. Así, el aparato de microondas produce ondas electromagnéticas en la región de las microondas, o infrarrojos, en una región no visible del espectro electromagnético, y cada molécula de agua se va excitando y vibrando con cada vez mayor amplitud. Este fenómeno se conoce como resonancia, pues el muelle sólo vibra con ondas de su frecuencia propia."
Para leer el artículo completo pincha aquí.


Tabla comparativa de los modos de vibración y rotación de las moléculas de H2O (angular) y CO2 (lineal):

Pinchando aquí puedes ver una simulación de un conjunto de moléculas de agua vibrando.
La frecuencia de las microondas producidas por un horno es de 2,5 GHz. Es decir que el campo eléctrico cambia de sentido 2,5 millones de veces por segundo, produciéndose una onda estacionaria.

Las moléculas de agua intentan alinearse con el campo eléctrico (el oxígeno hacia el lado positivo y el hidrógeno hacia el negativo).

Y, al cambiar éste de sentido, rotan para volver a alinearse.

EL ENLACE PUENTEHIDRÓGENO Y LAS PROPIEDADES DEL AGUA

El agua tiene un punto de fusión, un  punto de ebullición, y un calor de vaporización mas elevada que los líquidos comunes

Estas propiedades extraordinarias de los líquidos son consecuencia de las fuertes interacciones entre moléculas de agua adyacentes lo que confiere al agua liquida una gran cohesión interna.

Su causa de estos atracciones intermoleculares se debe  a que los átomos de hidrogeno de una molécula de agua comparte un par electrónico con el átomo de oxigeno. Le geometría de las moléculas de agua esta dictada por la forma de los orbitales electrónicos externos del átomo de oxigeno que son similares a los orbitales del enlace del carbono. Estos  orbitales describen aproximadamente un tetraedro con un átomo de hidrogeno en sus dos vértices y electrones sin compartir en los otros dos. El Angulo  de enlace  H-O-H  es de 104.5´ ligeramente menor a los 109.5de un tetraedro perfecto: los orbítales no enlazan Tes. del átomo de oxigeno comprime ligeramente los orbítales compartidos por el hidrogeno.

El núcleo del oxigeno atrae electrones con más fuerza que el núcleo del hidrogeno (es decir el protón) _: el electrón es más electronegativo. Por tanto  el h y el o comparten los electrones  de forma desigual: los electrones suelen estar mas  cerca del átomo de oxigeno que del hidrogeno. El resultado de esta forma desigual de compartir los electrones es la forma de dos dipolos eléctricos en al molécula de agua, uno alo largo de cada enlace h-o el oxigeno es portador de una carga negativa parcial ( ) y cada hidrogeno de una carga positiva parcial  ( ) la atracción electrostática resultante entre el átomo de oxigeno de una molécula de agua y el hidrogeno del otro constituye un puente de hidrogeno

Los puentes de hidrogeno son mas débiles que los enlaces covalentes

Los puentes de hidrogeno en agua liquida tienen una energía de enlace (la energía requerida para romper un enlace) de solo unos 20 kj/ mol en comparación con los 460 kj/mol del enlace covalente  o_h  a temperatura  ambiente la energía térmica de una solución acuosa (la energía cinética que proviene del movimiento de los átomos y moléculas individuales) es del mismo orden que la necesaria para romper los enlaces de hidrogeno. Cuando se calienta el agua el incremento de  su temperatura es el reflejo del movimiento más rápido  de las moléculas individuales del agua. Aunque en cualquier momento dado la mayoría de las moléculas en el agua liquida están unidas por puentes de hidrogeno el tiempo de vida de cada puente de hidrogeno  es inferior a 1x 10 -9 s. se a aplicado el termino adecuado de agrupamiento pasajero (flickrig clurster) a los grupos de corta duracion unidos por puentes de hidrogeno en le agua liquida. No obstante el numero extremadamente elevado de puente de hidrogeno entre moléculas de agua confiere gran cohesión interna en el liquida.

El orden casi tetraédrico de los orbitales alrededor del átomo del oxigeno permite que cada molécula de agua forme enlaces de hidrogeno con hasta cuatro moléculas de agua vecinas. En cualquier momento en el agua liquida a temperatura ambiente, cada molécula de agua forma puentes hidrogeno con un promedio de 3 a 4 moléculas de agua

Las moléculas de agua están en movimiento continuo en el estado liquido por los que los puentes de hidrogeno se rompen y forman de manera constante y rápida. No obstante  en el hielo cada molécula de agua están  fijas  en el espacio y forman puentes de hidrogeno con otras cuatro moléculas de agua configurado una estructura reticular regular para romper el gran numero de puentes de hidrogeno en tal retículo se requiere mucha enerva térmica, lo que explica el punto de fusión relativamente elevada del agua. Cuando se funde el hielo o se evapora el agua, se absorbe calor por parte del sistema.

Durante la fusión o la evaporación aumenta la entropía del sistema acuoso a medida que conjuntos altamente ordenadas de moléculas de agua se relajan a los conjuntos de puente de hidrogeno menos ordenados del agua se reflejan  a los conjuntos de puentes de hidrogeno menos ordenados del agua liquida o a las moléculas totalmente desordenadas de agua en el estado gaseoso. A  temperatura ambiente tanto la fusión del hielo como la evaporación del agua se dan espontáneamente; la tendencia de las moléculas de agua  a asociarse mediante puentes de Hidrogeno  queda contrarestada por el empuje energético hacia el desorden .recuérdese que la variación de energía libre AG h de tener un valor negativo para que un proceso se produzca de forma espontánea: AG=AH- TAS en donde AG representa la fuerza motriz. AH la energía para formar y romper enlaces y AS en número de desorden. Dado que AH es positiva para la fusión y para la evaporación es claramente el número de entropía (AS)  el que se hace   que AG sea negativo e impulse estas transformaciones