Nuestros investigadores estrellas agotaron sus reservas de café, en su búsqueda a tiempo completo por la respuesta, hasta que Daniella encontró el hallazgo en Bitbucket y ahora la comparte con nosotros.
Solución:
El agua tiene enlaces de hidrógeno en ella. El enlace de hidrógeno es algún tipo de fuerza intermolecular (un tutorial y la página de wikipedia) que generalmente se ve en moléculas que tienen $ceOH$, $ceNH$ o $ceFH$ en algún lugar de su estructura.
¿Cómo sucede?
El átomo de hidrógeno es realmente pequeño (radio atómico: alrededor de 37 pm) Cuando se une con algunas especies muy electronegativas, como el átomo de O, (en el caso del agua), el electrón es altamente absorbido por el más electronegativo. Eso da como resultado una concentración relativamente alta de carga positiva. El otro átomo de O en el agua es atraído por el H y esta es la base del enlace de hidrógeno.
Asi que…?
Los enlaces de hidrógeno en el agua son demasiado débiles para compararlos con los enlaces intramoleculares, como los enlaces covalentes o iónicos, pero son lo suficientemente fuertes como para romperse y requerirán mucha energía. Por eso el agua hierve a $100°C$.
Muchos saben que la razón del alto calor específico del agua son los enlaces de hidrógeno. En parte, está relacionado con eso: al dar calor al agua, algo de calor se “gasta” en aflojar los enlaces de hidrógeno en lugar de aumentar la energía cinética del agua. El argumento es válido, y no he visto a nadie que aporte evidencia de que esté equivocado, pero otra razón, que fue la que dio la hiperfísica, se basa en el movimiento del agua.
No es necesario ampliar el tema y se sumará a la confusión. En resumen, la molécula de agua no es lineal. ¡Eso dará como resultado tres grados de libertad de rotación que le permiten tener una gran cantidad de movimientos de rotación! (Más tipos de movimientos son causa de una bonificación adicional al calor específico)
El amoníaco líquido tiene un calor específico más alto, por la misma razón.
Incluso una razón mucho más fácil de entender es la masa molar relativamente baja del agua: $frac18 gmol$. ¿Qué debería significar eso? Más moles de agua por kilogramo.
A modo de resumen, las razones son:
- El agua calentada aportará gran parte del calor para aflojar, doblar o romper los enlaces de hidrógeno.
- El agua tenía tres grados de libertad de rotación. Además de la vibración, las rotaciones ocurren mucho en las moléculas de agua. Esto dará como resultado una mayor capacidad calorífica.
- La capacidad calorífica específica se define como la cantidad de calor requerida por unidad masa aumentar la temperatura en un grado centígrado. La masa molar relativamente baja del agua permite que haya más moles en una unidad de masa (ya sea kg o g)
Como nota al margen, el calor específico excepcionalmente alto no es la única propiedad extraña del agua. Ver aquí por ejemplo.
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