El Estado Supercrítico del Agua: Entre Líquido y Gas, ¿una Cuarta Fase?

Una fase poco conocida pero fundamental

El estado supercrítico del agua, alcanzado a una temperatura de 374 °C y una presión de 22.06 MPa (≈217.8 atm), es un dominio termodinámico en el que el agua ya no se distingue entre líquido y gas. En esta zona, tiene tanto la densidad de un líquido como la difusividad de un gas. Este comportamiento híbrido da lugar a propiedades físicas y químicas únicas, haciéndola muy reactiva, excelente para disolver sustancias orgánicas e inorgánicas, y ampliamente utilizada en geoquímica, procesos industriales e incluso en la exploración de condiciones prebióticas.

Propiedades físicas del agua supercrítica

A diferencia del agua líquida o del vapor, el agua supercrítica presenta fluctuaciones significativas de densidad a pequeña escala, lo que modifica las constantes dieléctricas, la solvatación iónica y los mecanismos de transporte térmico. Puede disolver sales como un líquido pero comportarse como un gas para especies no polares. Su conductividad térmica es alta, su viscosidad baja y su tensión superficial es nula. Estas características la convierten en un excelente fluido de trabajo o disolvente verde en procesos de química sostenible.

¿Dónde encontrar agua supercrítica en la Tierra?

El estado supercrítico del agua solo puede existir a presiones superiores a 217 atm y temperaturas superiores a 374 °C. Estas condiciones se encuentran naturalmente en ciertos entornos geotérmicos profundos, particularmente en la corteza oceánica y cerca de cámaras magmáticas. Se puede encontrar en las siguientes áreas:

• Sistemas hidrotermales profundos: las dorsales mediooceánicas (como la dorsal del Atlántico) albergan chimeneas llamadas "fumadoras negras", donde la presión de la columna de agua y la proximidad del magma permiten que el agua supere su punto crítico.
• Perforaciones geotérmicas ultraprofundas: proyectos como el Iceland Deep Drilling Project (IDDP) han alcanzado zonas donde el agua se mantiene en estado supercrítico a más de 4 a 5 km de profundidad bajo la superficie terrestre.
• Campos volcánicos activos: en regiones volcánicas (como Taupo en Nueva Zelanda o Yellowstone en los Estados Unidos), gradientes geotérmicos muy altos pueden generar zonas supercríticas a profundidades relativamente bajas.

Estos entornos extremos son de gran interés tanto para la investigación fundamental (origen de la vida, extremófilos, mineralización) como para las tecnologías emergentes de geoenergía.

Aplicaciones científicas e industriales

El agua supercrítica se encuentra en diversos campos:

• Geoquímica profunda: interviene en el metamorfismo, el vulcanismo y el transporte de metales pesados.
• Tratamiento de residuos: en la oxidación hidrotermal supercrítica (SCWO), los contaminantes orgánicos son destruidos eficientemente.
• Industria farmacéutica y agroalimentaria: permite extracciones selectivas sin disolventes tóxicos.
• Exploración planetaria: se sospecha la existencia de océanos supercríticos bajo cortezas heladas o en exoplanetas de alta gravedad.

Una fase clave en la evolución de la Tierra

El estado supercrítico del agua podría haber desempeñado un papel en el origen de la vida en la Tierra. En entornos hidrotermales profundos, el agua supercrítica podría haber favorecido reacciones orgánicas complejas, precursoras de la aparición de las primeras moléculas biológicas. Además, las excepcionales propiedades de solvatación y catálisis podrían haber servido de soporte al desarrollo de químicas prebióticas en la superficie o en la corteza terrestre.

Tabla comparativa: estados del agua

Fuente: NIST Chemistry WebBook, ScienceDirect - Supercritical water oxidation.