Química de la interacción de la lava incandescente con el agua del mar

JOSE Mª GAVIRA VALLEJO (Universidad Nacional de Educación a Distancia) »

Cuando una colada de lava a alta temperatura alcanza el mar y se mezcla con el agua marina se produce un penacho blanquecino que en la terminología científica en inglés se denomina laze, acrónimo de lava haze (niebla de lava) que, si se quiere, podría adaptarse al español como niva. Se trata de un aerosol que contiene, entre otros componentes, vapor de agua, cloruro de hidrógeno (HCl) y microfragmentos de material volcánico vítreo.

El agua marina contiene disueltos, entre otros muchos iones, aniones cloruro (Cl), cationes Na+ y, en menor proporción, cationes Mg2+. Se ha propuesto que estos tres iones son los principales protagonistas de la interacción entre la lava y el agua del mar. Básicamente, lo que ocurriría es que la evaporación instantánea del agua de mar por el calor de la lava hace que precipiten hidróxidos y óxidos de sodio y magnesio que se incorporarían a la lava solidificada, procesos que se denominan, respectivamente, metasomatismo de sodio y metasomatismo de magnesio. Al mismo tiempo se formaría cloruro de hidrógeno (HCl), sustancia química gaseosa que cuando está disuelta en agua recibe el nombre de ácido clorhídrico

Veamos con más detalle cuáles son las reacciones químicas que se producirían tomando primero como ejemplo el caso de los iones de magnesio. En procesos hidrotermales (es decir, en presencia de agua caliente) se ha demostrado que los iones de Mg2+ experimentan la consabida reacción de hidrólisis:

Mg2+ + 2 H2O → Mg(OH)2 (s) + 2 H+

Como se ve, se generan protones (H+), por lo que el medio se vuelve ácido. Es de esperar que esta misma reacción se produzca cuando la lava muy caliente se encuentra con el agua marina, pero en ese caso hay que tener en cuenta la presencia de los silicatos en los que consiste la lava, silicatos que están en estado sólido debido al enfriamiento abrupto de la lava al caer al mar. En la zona de la reacción el agua se vaporiza instantáneamente (H2O(g)), lo que induce la sobresaturación del cloruro de magnesio, que precipita (MgCl2 (s)). Por eso, la reacción de hidrólisis en esas condiciones es más realista escribirla así:

MgCl2 (s) + 2 H2O(g) → Mg(OH)2 (s) + 2 HCl (g)

Como se ve, se genera cloruro de hidrógeno, HCl. Este gas, disuelto en agua líquida se convierte en ácido clorhídrico. En cuanto al Mg(OH)2 (s) formado, se incorporaría de alguna forma al silicato de la lava formando nuevas fases cerámicas. Es lo que se llama metasomatismo de magnesio (en general, se entiende por metasomatismo la incorporación o extracción de componentes de una roca en estado sólido con la participación de un fluido). Debe tenerse en cuenta que la reacción anterior es una simplificación y que además del hidróxido de magnesio podrían formarse otras especies como óxido de magnesio (MgO) y oxihidróxidos de magnesio. 

Lo análogo ocurriría con los iones de sodio: 

NaCl (s) + H2O(g) → NaOH (s) + HCl (g)

Una forma sencilla de entender el metasomatismo de sodio que tendría lugar en la interacción agua-lava sería exponiendo lo que ocurre en laboratorio cuando la reacción anterior se realiza en presencia de sílice (SiO2), que es la base de los silicatos de la lava: 

2 NaCl (s) + 2 SiO2(s) + H2O(g) → Na2Si2O5(s) + 2 HCl (g)

Se trata de una reacción que también podría servir para ilustrar conceptos básicos de química. El dióxido de silicio tiene cierto carácter ácido; el NaOH es claramente alcalino. Al reaccionar el ácido con la base forman la sal correspondiente, que en este caso es el silicato sódico Na2Si2O5(s). La facilidad con que se produce esta reacción ácido-base promueve la retirada del producto re reacción NaOH, por lo que, por el principio de Le Châtelier, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, favoreciéndose la formación de HCl. 

En el sistema real (es decir, en presencia de lava en vez de simple sílice) se supone que lo que ocurre es que se forman nuevas fases de silicatos sobre los que ya tenía la lava. 

Existe cierta controversia entre autores sobre si en la interacción de la lava caliente con el agua marina tiene más importancia la hidrólisis del MgCl2 o la del NaCl (también podría contribuir la del CaCl2), pero en cualquier caso lo importante es que se forma de cloruro de hidrógeno (HCl).  

Este cloruro de hidrógeno surge en fase gaseosa, pero se disuelve fácilmente en las microgotas de H2O que constituyen el vapor de agua, generándose así ácido clorhídrico. Probablemente una pequeña parte del ácido clorhídrico formado reaccionaría con los carbonatos y bicarbonatos existentes en la salmuera, lo que explicaría, al menos en parte, el CO2 que se suele observar en las nivas. Se trata de una simple reacción ácido-base de desplazamiento que formaría teóricamente ácido carbónico (H2CO3), si bien hay que tener en cuenta que esta especie no es estable, por lo que en realidad se obtienen directamente sus productos de descomposición (CO2 y H2O):  

2 HCl + Na2CO3 → CO2 + H2O + 2 NaCl

La reacción del HCl con el bicarbonato es análoga a la anterior. 

También se ha detectado en estos penachos de aerosol pequeñas cantidades de dióxido de nitrógeno (NO2), gas que podría proceder en parte de la descomposición térmica de los nitratos que existen en el agua de mar costera.

Los penachos contienen otros gases, pero estos no se generan en reacciones químicas entre la lava y la salmuera marina, sino que proceden de la propia lava, la cual incrementa su desgasificación al entrar en contacto con el agua de mar. Entre ellos destaca el dióxido de azufre (SO2), pero también existen en distintas proporciones HF, HCl, HBr o H2S.

(a) Llanura costera y puntos de entrada al océano de lava del volcán Kilauea (Hawái); (b) entrada al océano del flujo de lava el 20 de julio de 2004; (c) penacho que se elevaba desde la entrada al océano de flujo de lava el 4 de marzo de 2005; (d) instrumentos de mediciones de la composición del penacho (mediante espectroscopía IR). Edmonds y Gerlach (2006).

Lluvia ácida

Todos los gases mencionados tienen naturaleza ácida. Por eso, un penacho que los contenga precipitaría como lluvia ácida. Como hemos dicho, el cloruro de hidrógeno (HCl) genera ácido clorhídrico por su propia disolución en agua. Lo mismo le sucede al HBr, el HF y el H2S. En cuanto al SO2, parte de él se puede oxidar a SO3 en condiciones adecuadas y este gas generaría rápidamente ácido sulfúrico en presencia de agua:

SO3 + H2O → H2SO4

Una reacción que guarda cierta analogía con la anterior es la que puede experimentar el NO2 para dar ácido nítrico:

3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO

Se ha demostrado que el penacho de niva se enfría enseguida y precipita en  las proximidades del punto en el que la lava incandescente ha caído al mar. Se ha recogido el líquido y se ha comprobado que tiene un pH entre 1 y 2, es decir, su acidez es un poco mayor que la del vinagre o el zumo de limón.  

Componentes sólidos de la niva

Además de estos compuestos ácidos, en los penachos que surgen cuando la colada de lava activa cae al mar se han identificado diversos metales y metaloides volátiles en variadas proporciones. Y también existe materia particulada procedente de los silicatos que componen mayoritariamente la lava. Son minúsculos fragmentos que se forman por un proceso físico denominado explosión de vapor, que se puede considerar un tipo de las llamadas interacciones combustible-refrigerante

Una interacción combustible-refrigerante es aquella que se produce cuando se encuentran dos fluidos de los cuales uno (el combustible, la lava en este caso) está a una temperatura por encima de la temperatura de vaporización del otro (el refrigerante, en este caso el agua). En el proceso se pueden distinguir cuatro etapas:  

  1. El contacto inicial entre la lava y el agua crea una película de vapor.
  2. Se produce un pulso de presión que destruye a la película de vapor y pone en contacto directo a ambos componentes del sistema.
  3. Se transfiere rápidamente calor de la lava al agua, lo que supone una expansión muy rápida (<1 ms) del agua, la  fragmentación fina de la lava, la producción de agua sobrecalentada y presurizada y la liberación de energía explosiva.
  4. El agua sobrecalentada se transforma en vapor sobrecalentado, lo que provoca una gran expansión volumétrica del sistema.

Los fragmentos más pequeños que se producen por esta rotura hidromagmática explosiva de la lava al enfriarse rápidamente en el agua de mar se incorporan a la niva junto a otras partículas sólidas como microcristales de los haluros sólidos que se forman (NaCl, MgCl2).

Peligros

El grado de peligrosidad de estos fenómenos depende del tipo de lava y su flujo. Normalmente, las concentraciones de gases tóxicos en comparación con la del vapor de agua no es demasiado alta. Por ejemplo, estos valores medios se midieron en un penacho formado en una entrada de lava del volcán Kilauea (Hawái) en el mar el 25 de febrero de 2005 (Edmonds y Gerlach (2006)) (ppm es partes por millón; ppmm es partes por mil millones).

concentraciones_kilauea

El precipitado líquido del penacho por condensación, como hemos dicho puede tener un pH de entre 1 y 2. 

En cuanto a la materia particulada, las partículas que se incorporan al aerosol tienen un diámetro de pocas micras, pero precisamente por ello pueden ser dañinas para la respiración si esta es prolongada (recuérdese la silicosis de los mineros). 

En cualquier caso, es muy desaconsejable acercarse a lugares en los que la lava está vertiéndose en el mar. No solo por lo explicado, sino porque podrían proyectarse esquirlas de lava debido a las explosiones de vapor y por el riesgo de que se quiebren y hundan los deltas de lava recién formados.


Referencias

  • E. Mason, P. E. Wieser, E. J. Liu et al. Volatile metal emissions from volcanic degassing and lava–seawater interactions at Kīlauea Volcano, Hawai’i. Commun Earth Environ 2021, 2, 79. doi.org/10.1038/s43247-021-00145-3
  • M. Edmonds, T. M. Gerlach, The airborne lava–seawater interaction plume at Kīlauea Volcano, Hawaiʻi, Earth and Planetary Science Letters, 2006, 244 (1-2), 83, doi.org/10.1016/j.epsl.2006.02.005.
  • J. A. Resing, F. J. Sansone. The chemistry of lava–seawater interactions: the generation of acidity, Geochimica et Cosmochimica Acta, 1999, 63 (15), 2183. doi.org/10.1016/S0016-7037(99)00193-3.
  • K. Wohletz, B. Zimanowski, R. Büttner. Magma–water interactions (cap. 11 de Modeling Volcanic Processes. The Physics and Mathematics of Volcanism). Cambridge University Press 2013. doi.org/10.1017/CBO9781139021562.011.

Imagen de cabecera: www. volcanodiscovery. com


Nuestros CURSOS DE FORMACIÓN DEL PROFESORADO DE FÍSICA Y QUÍMICA en la UNED