¿Por qué las gotas de agua tienen forma redonda?

A primera vista, el sentido común podría hacernos pensar que lo más normal sería que las gotas de agua, al igual que pasa con cantidades más grandes de agua, deberían tender a esparramarse en la superficie en la que se encuentran. Igual que cuando derramamos un vaso de agua esta se esparce incómodamente y llega a gotear en el suelo. Nunca hemos derramado un vaso de agua y se ha quedado en la mesa con forma de bola de cristal. Sin embargo, cuando el agua se presenta en cantidades pequeñas, como las gotas, sí adopta esta forma tan curiosa. ¿Por qué pasa esto? ¿Qué es lo que hace que le ocurra esto a las gotas de agua?

Quiero destacar que he especificado de agua precisamente porque no todas las gotas de cualquier sustancia tienen una forma tan esférica (y porque el agua es la sustancia más común y fácil de visualizar para todos). Digamos que unas sustancias son más propensas que otras a sufrir este efecto. De hecho, en el caso del agua, no es la sustancia en la que se da este efecto de forma más acusada.

La propiedad responsable de esto es la llamada tensión superficial del agua. Cada sustancia tiene su valor en términos de tensión superficial y en esto también influye la temperatura, que por lo general es directamente proporcional a ella. Es decir, que la tensión superficial tiende a disminuir con la temperatura y viceversa.

Pero, ¿qué es la tensión superficial?

Las moléculas en el agua se atraen entre ellas de igual manera, unas entre otras, y de esta forma se consigue cierto equilibrio entre ellas. Digamos que cada molécula de agua siente la misma atracción hacia todos lados, anulándose. Sin embargo, si nos vamos hacia la superficie, las moléculas de agua que están en la parte más superior reciben la atracción de las moléculas que están a sus lados y debajo de ellas. De esta forma tienden a agarrarse más fuerte entre ellas mientras que las moléculas que están debajo tiran de ellas hacia dentro. Se forma así como una especie de película superficial que cubre el agua que está en el interior.

En esta imagen represento en naranja las fuerzas a las que se somete cada molécula de agua

El enlace que se encarga de unir estas moléculas entre sí es el puente de hidrógeno. Ocurre porque, como sabemos, el agua se compone de un átomo de oxígeno, el cual es electronegativo, y dos átomos de hidrógeno, electropositivos. Gracias a esta polaridad, un átomo de oxígeno de una molécula se verá atraído por uno de hidrógeno de otra. Son un tipo de enlace débil y que se rompe con facilidad. Pero muchos de estos enlaces juntos pueden llegar a ser muy fuertes.

Unión entre moléculas de agua mediante el puente de hidrógeno

En esta imagen (fuente aquí) se aprecian muy bien los puentes de hidrógeno (especialmente en la imagen b) en un compuesto orgánico. 

De hecho, es gracias a esta propiedad que muchos seres vivos pequeños son capaces de posarse en el agua sin llegar a hundirse, como el famoso bicho zapatero o Gerris lacustris (que hasta hoy yo lo conocía como bicho Yisus). De igual manera las avispas, abejas y otros insectos voladores quedan en verano pegados a la superficie del agua de la piscina sin llegar a hundirse, mientras mueven sus patitas en un intento inútil de escapar y nos toca quitarlos con la red de la piscina.

Ahora bien, la tensión superficial no disminuye con la cantidad de agua. El motivo por el cual no vemos «bolitas»  (o más bien balones) de agua a gran escala es simplemente porque necesitaría un índice de tensión superficial extremadamente alto para poder soportar tanta agua, cosa que no es posible. La fuerza de la gravedad influye tirando de ella hacia abajo y recordemos que su densidad es de 1 kg por litro de agua.

Agua en gravedad cero

En este vídeo (a partir del minuto 1:42 para los impacientes) se pueden apreciar muy bien los efectos de la tensión superficial del agua en la Estación Espacial Internacional, donde están sometidos a un ambiente de ingravidez (aunque es más correcto el término «microgravedad» ya que no hay gravedad cero, aunque estamos acostumbrados a llamarlo así). Al haber tan poca gravedad el agua tiende a pegarse a la mano del astronauta y básicamente a todo con lo que entra en contacto, en lugar de caer hacia abajo como estamos acostumbrados.

Y en este otro, la astronauta Karen Nyberg enseña cómo se las apaña para lavarse el pelo cuando está en el espacio. Gracias a su tensión superficial el agua es un líquido pegajoso y elástico, así que es relativamente fácil que se pegue a su pelo y facilita la tarea.

Tensión superficial en el mercurio

La tensión superficial se mide en milinewtons por metro (mN·m⁻¹). El agua, a una temperatura de 20ºC, presenta una tensión superficial de 72.86mN·m⁻¹.

Aunque el agua tiene un a tensión superficial muy alta no es la sustancia con mayor tensión superficial ni mucho menos. En el caso del mercurio el índice la supera con creces.
¿Alguna vez se os ha caído un termómetro de mercurio al suelo dejando todo perdido de bolitas metálicas? A mí sí, de hecho limpiarlo es un percal. El mercurio tiene una tensión superficial de nada menos que 486.5 mN·m⁻¹ de ahí que se presente en forma de «bolitas». Pero es mejor no tocarlas, porque es altamente tóxico. En esta entrada hablo un poco de su toxicidad y algunas curiosidades sobre este elemento.

Tensión superficial en el alcohol

En el caso del alcohol, sin embargo, la tensión superficial es mucho más baja. Por ejemplo, en el etanol es de unos 22.39 mN·m⁻¹ (a una temperatura de 20ºC). Si echásemos en un portaobjetos una gota de agua, al verla desde un lateral se vería su característica forma redondeada. Pero si a esa gota de agua le echásemos un poco de alcohol éste provocaría la rotura de su tensión superficial y como consecuencia se esparramaría en el portaobjetos, perdiendo esa forma redondeada.

Para que sea más sencillo de entender, me tomé la libertad de hacerlo en dos portaobjetos de cristal. Al verlos de perfil (en la primera imagen) se puede ver muy bien la forma redondeada del agua, mientras que el alcohol es apenas perceptible.

Gota de alcohol (izquierda) y gota de agua (derecha) en portaobjetos, vistas desde un lateral.

Viéndolo desde arriba se ve mejor la gota de alcohol y como se esparce por la superficie irregularmente.

Mismas gotas de alcohol y agua vistas desde arriba.

En el siguiente vídeo se puede ver con más detalle la diferencia de tensión superficial entre estas dos sustancias y cómo se comporta cada una al echar gotas en una moneda.

Además, la tensión superficial es importante para la vida en nuestro planeta, y de hecho, sin esta propiedad posiblemente no habría podido surgir ya que proporciona capilaridad. Esto significa que gracias a esta capilaridad el agua es capaz de filtrarse por las raíces de las plantas y por los vasos sanguíneos transportando fácilmente los nutrientes a través de ellos.
Es decir, si no fuese por esta propiedad la vida probablemente no existiría en la Tierra o como mucho se habría desarrollado de una forma muy diferente a como la conocemos. No existirían plantas, ni los animales, ni nosotros mismos.