Propiedades químicas del agua

Química orgánica. Estados de la materia. Estado líquido. Estructura. Polaridad. Puente de hidrógeno

  • Enviado por: Ivan Curicho
  • Idioma: castellano
  • País: Ecuador Ecuador
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EL AGUA

EL ORIGEN

Hace mil millones de años que la tierra era una masa de gases calientes. El hidrógeno y el oxígeno, los constructores del agua, estaban entre los gases. Cuando la tierra comenzó a refrescarse, los átomos del hidrógeno y del oxígeno ensamblaron al agua de la forma. La tierra, sin embargo, seguía siendo demasiado caliente para que el agua exista en el estado líquido. El vapor, que es el agua en el estado gaseoso, se levantó de la tierra y se refrescó para formar las gruesas nubes sobre ella. Siempre que algunas de las gotitas de agua cayeran a la tierra, hirvieron inmediatamente. Finalmente, la tierra refrescó bastante para que la forme. Cuando sucedió esto, las cantidades extensas de vapor de agua en las nubes se condensaron y cayeron a la tierra. Los científicos piensan que la primera lluvia pudo haber caído para los centenares de años. Las depresiones en la superficie de la tierra comenzaron a llenarse de agua. Los torrentes de agua fluyeron, concluido la roca de la tierra y comenzaron a formar los continentes. Composición y estados físicos. Una molécula de agua (fórmula químico, H2O) contiene dos átomos de hidrógeno y de un átomo de oxígeno. Porque es mucho más pesada que el hidrógeno, el oxígeno proporciona a cerca de 89 por ciento del peso de una molécula de agua. Si el agua está en un estado líquido, un estado de estado sólido (hielo), o gaseosa (vapor de agua o vapor), su maquillaje químico sigue siendo igual. Los tres estados físicos del agua dependen del movimiento de las moléculas de agua, que alternadamente depende de calor. En hielo, por ejemplo, las moléculas de agua han perdido tanto calor que se mueven lentamente. La atracción eléctrica entre las moléculas entonces llega a ser bastante fuerte para atarlas juntas en un arreglo fijo con poco movimiento molecular; así el hielo lleva a cabo su dimensión de una variable. Cuando el agua está en la forma líquida, sus moléculas han adquirido bastante calor para mantenerlos, el moverse más rápidamente que el hielo. Este movimiento creciente es bastante para superar mucha de la atracción eléctrica entre las moléculas y para permitir que se muevan alrededor algo libremente. Puesto que las moléculas del agua en el estado líquido no se sostienen en un modelo rígido, el agua toma la dimensión de una variable de cualquier envase la lleva a cabo. Cuando el agua existe como vapor, sus moléculas se están moviendo tan rápidamente debido a calor creciente adicional que la atracción, está superada completamente. La presión atmosférica también afecta los cambios en el estado físico del agua. En la presión del nivel del mar de una atmósfera estándar (760 milímetros de mercurio), el agua pura congela en el hielo en 32 F (0 C) y ebulliciones en vapor en 212 F (100 C). Sobre el nivel del mar, donde se reduce la presión, las ebulliciones del agua en temperaturas más bajas y las heladas en temperaturas más altas.

INTRODUCCIÓN

Casi tres cuartos de la superficie de la tierra se cubren con agua. Quizás el líquido más importante del mundo, el agua es generalmente fácil de conseguir de la lluvia, de los resortes, de los receptores de papel, de las secuencias, de los ríos, de las charcas, y de los lagos. Llena las camas extensas del océano. Como vapor, el agua está también presente en el aire, donde condensa a menudo en las nubes. Los cuerpos de la mayoría de las cosas vivas contienen una proporción grande de agua. Por ejemplo, el agua abarca cerca de 60 por ciento del peso del cuerpo humano. El agua es necesaria para la vida. Hace millones de años que las primeras formas de vida en la tierra crecieron en el mar. Riega y circula constantemente a través del mundo. Una persona que toma una bebida del agua puede beber hoy la misma agua que dio el refresco a un hombre de la edad de piedra. Aunque el agua llena constantemente la tierra, en muchas áreas falta este líquido. La localización de las ayudas del agua se determina dónde el hombre puede colocar. Puede quién obtiene la detención en ciudades su agua de grifos. Si el agua de la ciudad parara de fluir, cada una tendría que salir de la ciudad y buscar el agua en otra parte. El crecimiento de las cosechas que el hombre necesita para su alimento depende del agua. Una planta de maíz completamente crecida utiliza más que un galón de agua al día. Toma cerca de 800.000 galones de agua para crecer un acre de algodón. El clima de la tierra es afectado por el agua y con la erosión y la acción que raspa de los glaciares (ríos del hielo), agua cambia la superficie de la pista .

Estudia la distribución del agua en la Tierra, sus reacciones físicas y químicas con otras sustancias existentes en la naturaleza, y su relación con la vida en el planeta. Es el movimiento continuo de agua entre la Tierra y la atmósfera.

El agua líquida es la única sustancia común que cuando se congela se expande, al contrario de lo que ocurre con las demás sustancias, y en consecuencia el agua sólida (hielo) tiene una densidad menor que el agua líquida, debido a que forma enlaces por puente de hidrógeno y se forma una estructura exagonal. Esta propiedad del agua hace que el hielo flote en el agua líquida y en consecuencia las grandes cantidades de agua se congelan de arriba hacia abajo, lo que hace posible la vida acuática en los lugares de clima frío (calor de fusión del hielo 79.7 cal/g). Otras consecuencias de la expansión del agua al congelarse son las cuarteaduras en rocas, suelo, calles, ruptura de tuberías y grietas en los motores de autos en lugares de climas fríos (para evitarlo se utilizan anticongelantes en el sistema de refrigeración de los autos).

El agua líquida tiene un calor de vaporización muy grande (539.6 cal/g), lo que significa que absorbe 539.6 cal por cada gramo de agua que se evapore y la libera al condensarse. Esta es la razón por la que el proceso de evaporación en plantas y animales es un proceso de enfriamiento eficiente, se percibe la sensación de frescura cuando se evapora el sudor de la piel. Los procesos de evaporación y condensación del agua contribuyen a la distribución del calor en la Tierra.

El agua es un compuesto con propiedades físicas y químicas muy diferentes a otros compuestos formados por moléculas de masa molecular semejante a la del agua. El agua es un solvente de gran cantidad de sales inorgánicas, de compuestos orgánicos y de gases. Debido a su polaridad y a la formación de enlaces por puente de hidrógeno, el agua facilita la realización de muchas de las funciones biológicas. Disuelve a compuestos iónicos y moléculas neutras, las soluciones acuosas diluidas influyen en la disociación de macromoléculas como las proteínas y los polinucleótidos, es decir, que el agua sirve como medio dispersante y ejerce una influencia importante sobre los componentes estructurales y funcionales de las células.

El agua tiene la capacidad de disolver una gran cantidad y variedad de sustancias lo que le proporciona la posibilidad de ser un buen medio de transporte de muchas sustancias, en los seres vivos transporta nutrientes y productos de desecho. Esta propiedad también implica que sirve como medio de transporte de contaminantes de los océanos, ríos, lagos, suelo y aire.

El agua líquida tiene una gran tensión superficial debido a las fuerzas de atracción entre sus moléculas (hace que la superficie de un líquido se contraiga) y una gran capacidad humectante (capacidad para adherirse y recubrir a un sólido). La gran tensión superficial del agua hace posible el fenómeno de la capilaridad, que junto con su capacidad disolvente hacen posible que las plantas puedan tomar los nutrientes del suelo necesarios para su crecimiento.

COMPONENTES DEL AGUA NATURAL

 

Fuente

 En suspensión

 En dispersión coloidal 

En solución

Litosfera

 arenas, arcillas, limos

arcillas, limos 

 Iones: Na1+, K1+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, 
Cl1-, 
SO42-, HCO31+, NO31+, PO43-, F1-

Atmósfera

 partículas, polvos

 partículas, polvos

 O2, N2, CO2, H3O 1+, HCO31+


Biosfera

algas, bacterias, 
plantas y animales

macromoléculas 
orgánicas, virus

CO2-, O2, N2, H2S, CH4, NH41+, 
NO31+, SO42-, 
macromoléculas orgánicas

 

EL CICLO DEL AGUA

Tres cuartas partes de la superficie de la Tierra están cubiertas por las aguas de los océanos, lagos, ríos, arroyos y manantiales. Al perforar el subsuelo, por lo general, se puede encontrar agua. Ésta se halla a profundidades diversas (agua subterránea o mantos freáticos).

     El proceso conocido como "ciclo del agua" es aquel por el cual el agua de los océanos se evapora y precipita en la tierra, donde se distribuye en ríos y lagos, principalmente, asegurando la recarga de mantos freáticos. Esta agua es la que utilizan plantas, animales y el hombre.

Agua

Se produce vapor de agua por evaporación en la superficie terrestre y en las masas de agua, y por transpiración de los seres vivos. Este vapor circula por la atmósfera y precipita en forma de lluvia o nieve. Al llegar a la superficie terrestre, el agua sigue dos trayectorias.

En cantidades determinadas por la intensidad de la lluvia, así como por la porosidad, permeabilidad, grosor y humedad previa del suelo, una parte del agua se vierte directamente en los riachuelos y arroyos, de donde pasa a los océanos y a las masas de agua continentales; el resto se infiltra en el suelo.

Una parte del agua infiltrada constituye la humedad del suelo, y puede evaporarse directamente o penetrar en las raíces de las plantas para ser transpirada por las hojas. La porción de agua que supera las fuerzas de cohesión y adhesión del suelo, se filtra hacia abajo y se acumula en la llamada zona de saturación para formar un depósito de agua subterránea, cuya superficie se conoce como nivel freático.

En condiciones normales, el nivel freático crece de forma intermitente según se va rellenando o recargando, y luego declina como consecuencia del drenaje continuo en desagües naturales como son los manantiales.

Estructura del agua

La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes.

La geometría del agua

La molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno unidos por sendos enlaces covalentes al átomo de oxígeno. Cada enlace covalente implica la compartición de dos electrones entre los átomos de hidrógeno, en que cada átomo aporta un electrón. Por lo tanto, los electrones puestos en juego en ambos enlaces covalentes son cuatro. Estos electrones enlazantes, se suelen representar por pares de puntos o trazos, de manera que la molécula de agua puede representarse por los símbolos de los elementos de hidrógeno y oxígeno unidos por trazos:

H-O-H. Esta fórmula insinúa una estructura lineal.

Además existen en el átomo de oxígeno dos pares de electrones, que no participan en enlace, situados en un nivel de menor energía, o última capa. Al considerar todos los 8 electrones situados en la última capa del oxígeno, 2 pares enlazantes y 2 pares no enlazantes, la teoría de Repulsión de Pares Electrónicos del Nivel de Valencia, predice la forma de la molécula de agua. Esta teoría establece que los pares electrónicos del nivel de valencia, que corresponden a la última capa energética, se sitúan en el espacio de manera que entre ellos exista la mínima repulsión ocasionada por su carga negativa. Si los cuatro pares fuesen de igual naturaleza se podría predecir una estructura tetraédrica regular para el agua, porque la mejor manera de acomodar cuatro cargas negativas en el espacio, para que exista entre ellas la mínima interacción, es situándolas en los vértices de un tetraedro, cuyos lados subtienden un ángulo de 109,5°. Puesto que sólo dos pares de electrones son enlazantes, éstos están compartidos entre los núcleos de O e H y por lo tanto estos electrones están mas cerca a ambos núcleos. Los dos pares no enlazantes están sólo localizados sobre el átomo de O por lo que tienden a ocupar mayor espacio alrededor de este átomo y en consecuencia a restarle espacio a los pares enlazantes. Por lo tanto, el ángulo que subtiende las dos uniones oxígeno-hidrógeno es 104,5°, menor que el ángulo tetraédrico.

Agua

Si sólo se considera los núcleos de los átomos de la molécula de agua, esta especie debería tener una estructura plana, puesto que tres puntos, que no están en línea, definen un plano. Si ahora se considera a los electrones enlazantes y no enlazantes de la molécula de agua, su estructura es la de un tetraedro irregular.

Cabe deducir que si la molécula de agua no es lineal, tampoco será una especie apolar. Una molécula polar presenta dos polos o centros de gravitación de carga negativa y positiva que resultan de la diferente concentración de electrones en el espacio. Aquel sitio donde exista una mayor concentración da origen a un centro donde gravita carga negativa y en el otro extremo de ese espacio gravitará, por consecuencia, carga positiva.

Al existir un dipolo en tal molécula, ésta puede atraer a sus vecinas por fuerzas de atracción entre cargas de diferente signo.

.

Estas fuerzas se denominan atracción dipolo-dipolo, las cuales son importantes en sustancias al estado líquido o sólido donde la cercanía molecular es muy grande.

Polaridad del agua

La polaridad de la molécula de agua no sólo es consecuencia de su geometría tetraédrica irregular, sino que también de la naturaleza de sus átomos: hidrógeno, el átomo más pequeño de la Química,  y oxígeno, un átomo pequeño, pero principalmente de alta electronegatividad.  Este término denota a los átomos que presentan gran capacidad de atraer electrones de enlace hacia sí.  Por  lo tanto, el átomo de oxígeno de la molécula de agua atrae hacia sí los electrones de los enlaces covalentes con los hidrógenos;  hecho que da lugar a una polaridad de  enlace. Si la polaridad de enlace se representa por la letra Agua
,  con su correspondiente signo, entonces la molécula de agua podrá representarse como el dibujo.

Agua

Además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.

Agua
Agua

El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones ), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa , mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.

Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo

Agua

Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.

Agua
Agua

Puente HIDRÓGENO

Dado que el átomo de oxígeno es pequeño y bastante electronegativo, la concentración de electrones en su entorno es elevada, por lo que las cargas negativa sobre oxígeno y positiva entre los átomos de hidrógeno son considerables. Se deduce que las atracciones dipolo-dipolo entre moléculas de agua son importantes, en realidad muy fuertes, porque las moléculas polares de agua, siendo pequeñas, pueden acercarse mucho más que moléculas mayores y pueden atraerse fuertemente por su gran polaridad. Esta atracción dipolo-dipolo que es inusualmente fuerte y en la que participa el átomo de hidrógeno se denomina puente de hidrógeno.

Agua

Esta asociación intermolecular que se da en el agua líquida y en el hielo, se suele representar por una línea de puntos. En el hielo, la longitud del enlace de hidrógeno es de 1,77 Å que se compara con la longitud del enlace covalente H-O de 0,99 Å.

Esta estructura muestra que cada átomo de oxígeno de las moléculas de agua que forman una masa de hielo está unido por dos enlaces covalentes a sendos átomos de hidrógeno y por puente de hidrógeno a moléculas vecinas. La energía de los puentes de hidrógeno es aproximadamente un 1% del enlace covalente. Esta gran diferencia de energía hace la distinción entre el enlace covalente, que es un enlace químico y por lo tanto muy fuerte, y el mal llamado enlace de hidrógeno, que sólo es una asociación física, porque es una atracción dipolo-dipolo.

Se explicó que en la molécula de agua los pares electrónicos enlazantes y no enlazantes están orientados hacia los vértices de un tetraedro irregular, por lo que al considerar una masa de hielo, sus moléculas forman una inmensa red tridimensional altamente ordenada que evita que las moléculas se acerquen mucho entre sí. El puente de hidrógeno que se establece, hace que las moléculas de agua adopten una estructura que deja huecos hexagonales que forman una especie de canales a través de la red tridimensional.

Agua

PROPIEDADES del agua

Propiedades físicas del agua

  • Es un líquido incoloro, inodoro e insaboro.

  • Se transforma fácilmente en los tres estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso).

  • A 100º C se produce su ebullición en condiciones normales de presión (es decir, al nivel del mar a 760 mm de Hg).

  • Se solidifica a 0º C en forma de hielo.

  • Es un compuesto con elevada capacidad calorífica, esto es, requiere mucho calor para elevar su temperatura.

  • A 4º C adquiere su mayor densidad, que se considera con valor de 1 (es la base para la densidad). Si su temperatura baja a partir de 4º C su densidad se eleva, pues la solubilidad decrece inversamente con la densidad; ésta es la razón por la que el hielo flota, pues ocupa más volumen.

  • Es el disolvente universal por excelencia; todos los gases, así como numerosos sólidos y líquidos se disuelven en ella.

  • En estado químicamente puro, es mala conductora del calor y la electricidad.

  • Su densidad y fluidez permiten que su energía potencial, al ser almacenada en presas, se aproveche en las caídas de agua para producir energía eléctrica.

Principales propiedades químicas del agua

1)Reacciona con los óxidos ácidos

2)Reacciona con los óxidos básicos

3)Reacciona con los metales

4)Reacciona con los no metales

5)Se une en las sales formando hidratos

Muchas de estas reacciones que exponemos a continuación ya son existentes en la naturaleza:

1)Los anhídridos u óxidos ácidos reaccionan con el agua y forman ácidos oxácidos.

2) Los óxidos de los metales u óxidos básicos reaccionan con el agua para formar hidróxidos. Muchos óxidos no se disuelven en el agua, pero los óxidos de los metales activos se combinan con gran facilidad.

3) Algunos metales descomponen el agua en frío y otros lo hacían a temperatura elevada.

4)El agua reacciona con los no metales, sobre todo con los halógenos, dando los siguientes compuestos:

Haciendo pasar carbón al rojo sobre el agua se descompone y se forma una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno (gas de agua):

5)El agua forma combinaciones complejas con algunas sales, denominándose hidratos, como son:

En algunos casos los hidratos pierden agua de cristalización cambiando de aspecto, y se dice que son eflorescentes, como le sucede al sulfato cúprico, que cuando está hidratado es de color azul, pero por pérdida de agua se transforma en sulfato cúprico anhidro de color blanco.

Por otra parte, hay sustancias que tienden a tomar el vapor de agua de la atmósfera y se llaman hidrófilas y también higroscópicas; la sal se dice entonces que delicuesce, tal es el caso del cloruro cálcico.

  • Es un compuesto muy estable; sin embargo, se ha observado que el hidrógeno y oxígeno se descomponen por encima de 1 600º C.

  • Su molécula está formada por hidrógeno y oxígeno en proporción de 1:8 en masa y de 2:1 en volumen.

  • Su fórmula química es H2O; es decir, el oxígeno está unido a cada hidrógeno por medio de un enlace covalente sencillo (existe un par de electrones que los unen).

  • Su masa molecular es 18.016.

  • El agua se descompone con un voltámetro por medio de la corriente eléctrica, empleando un electrólito (disolución que conduce la electricidad y contiene iones positivos y negativos). En el cátodo (electrodo negativo) se desprende hidrógeno y en el ánodo (electrodo positivo) el oxígeno.

  • En la síntesis volumétrica del agua (preparación de compuestos químicos a partir de sustancias más sencillas) se observa que el hidrógeno y el oxígeno se combinan siempre en proporción de 2:1.

  • Reacciona con algunos metales como el sodio, el potasio (produciendo una reacción violenta) y el calcio dando el hidróxido del metal correspondiente e hidrógeno que se desprende en forma de gas.

  • Se combina con los anhídridos formando ácidos (oxiácidos).

  • Reacciona con los metales produciendo óxidos (corrosión)

PROPIEDADES FISICO- QUÍMICAS DEL AGUA

El agua presenta las siguientes propiedades físico-químicas:

a)Acción disolvente.
El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal), esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, ya que estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua.

Agua

La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes para los seres vivos: es el medio en que transcurren las mayorías
de las reacciones del metabolismo, y el aporte de nutrientes y la eliminación de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos.


b)Fuerza de cohesión entre sus moléculas.
Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un liquido casi incompresible.


c) Elevada fuerza de adhesión.

De nuevo los puentes de hidrógeno del agua son los responsables, al establecerse entre estos y otras moléculas polares, y es responsable, junto con la cohesión de la capilaridad, al cual se debe, en parte, la ascensión de la sabia bruta desde las raíces hasta las hojas.

Agua

d) Gran calor específico. El agua absorbe grandes cantidades de calor que utiliza en romper los puentes de hidrógeno. Su temperatura desciente más lentamente que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite al citoplasma acuoso servir de proteccción para las moléculas orgánicas en los cambios bruscos de temperatura. 

e) Elevado calor de vaporización.
A 20ºC se precisan 540 calorías para evaporar un gramo de agua, lo que da idea de la energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno establecidos entre las moléculas del agua líquida y, posteriormente, para dotar a estas moléculas de la energía cinética suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al estado de vapor.

f) Elevada constante dieléctrica.

Por tener moléculas dipolares, el agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares como los glúcidos.

Agua

Las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando a desdoblar los compuestos iónicos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este fenómeno se llama solvatación iónica.

g) Bajo grado de ionización. De cada 107 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada.

H2O Agua
H3O+ + OH-

Esto explica que la concentración de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-) sea muy baja. Dado los bajos niveles de H3O+ y de OH-, si al agua se le añade un ácido o una base, aunque sea en poca cantidad, estos niveles varían bruscamente.

 

Funciones del agua

1-. Disolver : El agua disuelve sustancias. Ej. Azúcar + agua

2-. Bioquímica: El agua disuelve sustancias dentro del cuerpo.

EJ. La saliva disuelve los alimentos

Jugos gástricos = alimentos

(estomago)

3-. Transporte: Transporta sustancias en nuestro cuerpo.

4-. Estructural: El agua da forma a las células

5-. Termorregulador: El agua regula y mantiene la temperatura corporal. homotermios (37 grados Celsius).

6-. Amortiguadora: liquido amniótico (agua que rodea el embrión). Liquido encefalorraquidio(agua que rodea el cerebro y medulas).

Agua