¿Por qué el aceite y el agua no se mezclan?

El agua prefiere al agua

La explicación de manual es “lo similar disuelve a lo similar”: el agua es una molécula polar —el oxígeno tira de los electrones y queda con una leve carga negativa; los hidrógenos, con una leve carga positiva— y el aceite está hecho de cadenas de carbono e hidrógeno casi sin carga, no polares. Es cierto, pero deja afuera lo más interesante: el agua y el aceite sí se atraen. Simplemente, el agua se atrae a sí misma mucho más.

Eso se puede medir. Para separar una capa de agua de una capa de aceite (un alcano, como los que forman la parafina o la nafta) hay que hacer un trabajo: el trabajo de adhesión. En hidrocarburos va de 37 mJ/m² para el pentano a 44 mJ/m² para el hexadecano.^[1] Es positivo: hay pegamento entre los dos. Pero para separar agua de agua hace falta el doble de su tensión superficial, unos 72 mJ/m² a 25 °C^[4], o sea unos 144 mJ/m²: entre 3,3 y 3,9 veces más.

Cuando se agita la botella, cada gota de aceite obliga a un montón de moléculas de agua a perder vecinas de agua y quedarse pegadas a algo que las atrae menos. Apenas se deja quieta, el sistema recupera el arreglo más favorable: el agua junta, con la menor superficie posible en contacto con el aceite. Por eso las gotas se funden en gotas más grandes hasta formar una capa. A esa tendencia a separarse los químicos la llaman efecto hidrofóbico, y es la misma que interviene en el ensamblado de las proteínas y en la limpieza de la ropa.^[2]

Y el aceite queda arriba por otra razón, más simple: es menos denso. El hexano pesa 0,66 g/cm³ frente a casi 1 g/cm³ del agua.^[3]

Cómo lo sabemos

La medición clave es la tensión interfacial. Se forma una gota de un líquido dentro del otro —o se tira de un anillo o una placa a través de la frontera— y se mide la fuerza que hace la superficie de contacto por cada metro de borde. Con tres números (la tensión del agua con el aire, la del aceite con el aire y la del aceite con el agua) se calcula el trabajo de adhesión: la suma de las dos primeras menos la tercera. Así sale que el agua y un alcano se atraen, pero bastante menos de lo que el agua se atrae a sí misma.^[1]

La otra pista es la temperatura. Si se mide cómo cambian estas tensiones entre 10 y 30 °C, se puede separar la parte de energía (los enlaces) de la parte de entropía (el orden). Meyer Jackson, de la Universidad de Wisconsin, recopiló esos datos en 2016 y encontró que a 20 °C la entropía explica al menos el 90 % de la energía libre de la interacción hidrofóbica.^[1] La interpretación más aceptada es que las moléculas de agua que tocan al aceite no pueden armar sus puentes de hidrógeno en todas las direcciones y quedan más restringidas; juntar el aceite en una sola gota libera a muchas de ellas. David Chandler, de Berkeley, mostró en 2005 que el fenómeno cambia según el tamaño: una molécula suelta de aceite y una gota grande se hidratan de formas distintas.^[2]

Por último, la solubilidad directa: se agita un hidrocarburo con agua, se espera el equilibrio y se analiza cuánto quedó disuelto. Para el hexano son 9,5 mg por litro a 25 °C.^[3] No es cero, pero es una cucharadita de hexano en unos 350 litros de agua.

Lo que se suele decir mal

“El agua y el aceite se repelen.” No hay repulsión: el trabajo de adhesión entre ambos es positivo, o sea que se atraen. Se separan porque el agua gana más quedándose con el agua. El químico Joel Hildebrand discutió justamente ese punto en 1979 con un artículo titulado “¿Existe un ‘efecto hidrofóbico’?”.^[5]

“El aceite no se disuelve nada.” Se disuelve, en cantidades de miligramos por litro. Es suficiente para que importe en contaminación del agua, aunque a simple vista parezca cero.

“Se separan porque el aceite es más liviano.” La densidad explica cuál queda arriba, no por qué no se mezclan. Hay líquidos que no se mezclan con el agua y se van al fondo, como el cloroformo, con 1,48 g/cm³.^[6]