Todos hemos presenciado en algún momento la marcada enemistad que media entre agua y aceite, que se esfuerzan por no mezclarse cuando se colocan juntos en un recipiente. No importa cuánto removamos la mezcla, siempre terminan formando dos fases separadas, con el aceite flotando sobre el agua debido a su menor densidad. Menuda discusión han debido de tener para llegar a esa situación…
A veces se dice que la causa de esta separación reside en la diferencia de densidad entre ambas sustancias, pero lo cierto es que son las propiedades físico-químicas de las moléculas que componen ambas sustancias las verdaderas culpables de este “mal rollo”.
La entropía se opone a la unión
En química hay un dicho: “lo semejante disuelve lo semejante”, pero el agua y el aceite no podían ser más diferentes. El agua, tal y como indica su formulación química, H2O, está formada por moléculas con dos átomos de hidrógeno que comparten sus electrones con un átomo de oxígeno para formar sendos enlaces covalentes. Cuando estos átomos se enlazan, sus electrones se distribuyen de forma asimétrica a lo largo de la molécula de agua resultante. Esto ocurre porque el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno.
La electronegatividad es la tendencia de los átomos de atraer hacia sí los electrones de los otros átomos con los que se enlazan. Es una propiedad que aumenta según nos movemos hacia la derecha y hacia arriba en la tabla periódica. Por este motivo, el oxígeno tira más de los electrones hacia sí. Como los electrones poseen carga negativa, el oxígeno adquiere una carga ligeramente negativa, y los hidrógenos una carga ligeramente positiva. Se genera así una molécula con dos polos, como sucede con los imanes. Por eso decimos que el agua es una sustancia polar.
Esta propiedad permite a la molécula de agua unirse con otras congéneres. Los átomos de hidrógeno de cada molécula pueden enlazarse con el oxígeno de otras moléculas de agua cercanas por medio de enlaces conocidos como puentes de hidrógeno. Finalmente, todas las moléculas de agua formarán una red tridimensional a través de los puentes de hidrógeno para construir el líquido elemento. Sin embargo, como esos puentes son relativamente débiles, al menos comparados con los enlaces covalentes intramoleculares, están constantemente rompiéndose y rehaciéndose, de manera que las moléculas de agua disponen de múltiples opciones para organizarse con las moléculas de agua adyacentes.
¿Qué sucede con el aceite? En su caso, la densidad de electrones se distribuye de manera más homogénea entre los átomos de sus moléculas, que principalmente son triglicéridos, por lo que no se forman polos. Es decir, se trata de una sustancia apolar. Por esto mismo, los triglicéridos del aceite no pueden formar puentes de hidrógeno con el agua y, por lo tanto, no pueden unirse a ella en circunstancias normales. De hecho, cuando los triglicéridos intentan unirse al agua, perturban la red de puentes de hidrógeno y restringen el número de opciones disponibles que tienen las moléculas de agua para organizarse, lo que se traduce en una reducción de la entropía del sistema. O, como habrás leído en otros sitios, “el grado de desorden disminuye”. Y ya sabemos cuál es una de las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica: que los sistemas naturales tienden a evolucionar hacia estados de mayor entropía. Dicho de otra forma, la entropía favorece los estados en los que hay un mayor número de opciones de organización disponibles (“más desorden”). Por esto mismo, los triglicéridos son “expulsados” de la red de puentes de hidrógeno, porque así se favorece el aumento de entropía. A los triglicéridos no les queda otra que unirse entre sí y formar su propio medio separado del agua.
Una molécula para unirlos a todos
Aun con todo, podríamos conseguir mezclar lo inmiscible por naturaleza, un proceso conocido como emulsión. Por ejemplo, podemos conseguir una emulsión temporal si batimos vigorosamente una mezcla de agua y de aceite. Al principio parecerá que las gotas de aceite se dispersan en el agua. Sin embargo, si dejamos pasar un tiempo, las gotas de aceite volverán a unirse para formar nuevamente una fase separada de la fase acuosa. Si queremos obtener una emulsión estable, tendremos que añadir a la mezcla una sustancia emulsionante para que una de las fases se disperse en la otra. Esto es lo que conseguimos cuando hacemos mayonesa. En este caso, nos interesa que la fase oleica se disperse en la fase acuosa, y no al revés, que es cuando se nos corta.
Como decía, para obtener una emulsión hay que añadir una sustancia emulsionante, que se caracteriza por tener moléculas anfifílicas o anfipáticas. Estas palabrejas simplemente definen la estructura de estas moléculas, que constan de dos extremos: uno polar y otro apolar. El extremo polar también es conocido como hidrofílico, porque muestra afinidad por las moléculas polares del agua, mientras que al extremo apolar también se le conoce como hidrofóbico, ya que evita el agua. Cuando fragmentamos la fase oleosa y añadimos el emulsionante, sus moléculas comienzan a cercar las gotas de aceite. Esto lo hacen orientando su extremo apolar hacia la gota de aceite y el extremo polar hacia el agua. Como resultado, las gotas de aceite no pueden unirse entre sí, quedando la fase oleosa dispersa en la fase acuosa.
Lo veremos mejor con el ejemplo de la mayonesa. La receta casera es muy simple: consta de huevo, aceite y sal, aunque también se recomienda añadir alguna sustancia ácida, como vinagre o limón; más adelante veremos el motivo. El huevo es un caso arquetípico de emulsión natural, ya que está formado por una mezcla de agua (80%), proteínas y grasas, las cuales son especialmente abundantes en la yema. En esta parte del huevo se encuentran las lecitinas, un tipo de grasas emulsionantes que serán las encargadas de mezclar el huevo con el aceite para obtener la mayonesa.
Primero se añade el huevo y a continuación el aceite. Para que la salsa se haga correctamente, es imprescindible batir el huevo muuy bien para asegurar la liberación de las lecitinas. Es recomendable que el huevo esté a la misma temperatura que el aceite, porque así hay que aplicar menos energía para liberar las lecitinas. Una vez conseguido esto, ya se puede comenzar a remover el aceite de manera progresiva de abajo hacia arriba para disgregarlo en pequeñas gotas que serán rodeadas por las grasas emulsionantes del huevo. La adición de un poco de vinagre o limón puede ayudar a que la emulsión llegue a buen puerto. El ácido acético del primero o el ácido cítrico del segundo acidificarán el medio y ayudarán a que aumente la estabilización de la emulsión, ya que una mayor acidez (tampoco sin pasarse) fomenta la repulsión entre los extremos polares y apolares de las lecitinas y la separación de las gotas de aceite.
En ocasiones no seguimos correctamente alguno de los pasos de la receta y la mayonesa se nos corta, o lo que es lo mismo, sucede una emulsión en el sentido contrario al deseado. Porque en este caso lo que se disgrega en pequeñas gotas es el agua del huevo. Las lecitinas envolverán esas gotas evitando que se junten unas con otras. De esta forma, la fase acuosa se dispersa en la fase oleosa y se forma una mezcla líquida y muy poco apetitosa.
Concentrados en que la mayonesa no se nos corte, no reparamos en los intrincados principios físicos y químicos que gobiernan este proceso culinario. Seguro que la próxima vez que te pongas a elaborar la deliciosa salsa, lo verás todo con otro enfoque, uno que te hará viajar por las maravillas del microcosmos que constituye la esencia de todas las cosas.
El dato
La acción limpiadora de los jabones se basa en la emulsión, ya que las moléculas que forman el jabón son anfifílicas. Cuando vertemos agua y jabón sobre una mancha de grasa, sus moléculas se dispersan en la fase acuosa gracias a la intermediación del emulsionante.
REFERENCIAS
Bello DG (2019). Por qué se corta la mayonesa y qué relación tiene esto con la cosmética. Cuaderno de Cultura Científica [online] 17 de octubre. Disponible en: https://culturacientifica.com/2019/10/17/por-que-se-corta-la-mayonesa-y-que-relacion-tiene-esto-con-la-cosmetica/
Omicrono (2013). El físico responde: El agua y el aceite son irreconciliables. El Español [online] 5 de julio. Disponible en: https://culturacientifica.com/2019/10/17/por-que-se-corta-la-mayonesa-y-que-relacion-tiene-esto-con-la-cosmetica/
Silverstein TP (1998). The real reason why oil and water don’t mix. J. Chem. Educ. 75, 116-118. https://doi.org/10.1021/ed075p116
TED-Ed (2013). ¿Por qué el agua y el aceite no se mezclan? – John Pollard [vídeo online]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=h5yIJXdItgo&ab_channel=TED-Ed
Zielinski S (2010). Oil and water do mix. Smithsonian Magazine [online] 17 de noviembre. Disponible en: https://www.smithsonianmag.com/science-nature/oil-and-water-do-mix-38726068/
