El Agua

EL AGUA El agua interviene en todas las formas conocidas de vida, por lo que ha sido llamada el líquido de la vida, y es el único compuesto químico que se halla en la naturaleza en grandes cantidades y en los tres estados físicos. Además, es la sustancia química más abundante en la materia viva. El ser humano, por ejemplo, está compuesto en un 63% de agua, las algas en un 98%, y en la escala inferior tenemos la dentina de los dientes con un 10%. ¿Cuáles son las funciones del agua? Las funciones del agua están íntimamente relacionadas con sus propiedades, que se podrían resumir en los siguientes puntos:

1. Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas. Esta función como 2. 3. 4. 5. 6. 7.

disolvente es básica para la vida, pues casi todas las reacciones biológicas tienen lugar en el estado líquido y en un medio acuoso. Amortiguador térmico: se debe a su elevado calor específico y de vaporización. Así, cuando los animales sudan, el agua absorbe calor del cuerpo, ayudando a que este se enfríe. Transporte de sustancias. Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos. Favorece la circulación y turgencia. Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos. Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando iones hidrógeno o bien iones hidroxilos al medio.

¿Cuáles son las principales características del agua? 1. El agua es constituyente importante de la atmósfera, particularmente en las regiones húmedas y templadas, y es el compuesto mayoritario de la hidrosfera. 2. El hielo presenta una menor densidad que el agua en estado líquido y, además, exhibe una baja conductividad térmica. Dichas propiedades explican que, a bajas temperaturas, el hielo queda en la superficie de los mares y lagos y no se produce el congelamiento completo de estos depósitos naturales, posibilitando así la existencia de variadas formas de vida acuática. 3. El fenómeno anterior se relaciona con la llamada anomalía del agua, que es una excepción a la regla general de que los sólidos son más densos que los líquidos: la densidad del agua líquida sobre 0ºC es mayor que la del hielo. En estado líquido aumenta hasta alcanzar su valor máximo exactamente a 3,98ºC. A temperaturas mayores que esa se comporta de manera normal, vale decir, como los otros líquidos, disminuyendo su densidad cuando la temperatura aumenta. En el siguiente gráfico podrás apreciar la variación de la densidad del agua entre 0 ºC y 10 ºC.

Ejercicio: Describe qué entiendes por la densidad de una sustancia y cuáles son las unidades más utilizadas para expresarla. ¿En cuánto estimas la densidad del agua a 10°C?

El elevado calor de fusión del hielo y el de evaporación del agua líquida, proveen mecanismos eficientes de absorción del calor que evitan un excesivo aumento de la temperatura terrestre. Existe una creciente preocupación por el calentamiento global de la Tierra, ya que elevación de su temperatura media implica un empeoramiento de las condiciones climáticas debido a la reducción de la masa de hielo de los casquetes polares. Esto involucra la desaparición gradual de uno de los mecanismos que regulan la temperatura del planeta. Ejercicio: Averigua qué es el calor de fusión de un sólido y compara los calores de fusión del hielo con los de algunos metales. Por otra parte, cabe destacar que los recursos de agua dulce son extremadamente limitados, no llegando ni al 1% del total de agua en la Tierra. Este recurso, del cual se prevé una creciente escasez, se halla, principalmente, en forma de hielo y en las aguas subterráneas. La mayor parte de la población mundial vive en deficientes condiciones sanitarias, asolada por enfermedades que se extienden de manera epidémica como resultado de la falta de agua potable y de higiene. Entre estas enfermedades se cuentan la hepatitis, el cólera y la fiebre tifoidea. ¿Qué sabes acerca de la contaminación del agua? El agua se contamina a través de procesos de origen natural y también, muy especialmente, como resultado de la actividad humana en el ámbito doméstico, agrícola e industrial. ¿Sabías que el agua puede ser purificada natural y artificialmente? Un proceso de purificación natural del agua es a través de su ciclo, que contempla evaporación, condensación y filtración. A través de la evaporación y su posterior condensación se elimina gran parte de las sustancias disueltas, en particular las sales. El vapor de agua precipita en forma de diminutas gotas (lluvia) o de cristales de hielo (nieve), según cuáles sean las condiciones de temperatura y presión. Por otra parte, el agua superficial penetra hacia el interior de la tierra, filtrándose a través de medios permeables como la grava y la arena. En este proceso se separa la mayor parte del material en suspensión. La purificación artificial del agua, que en general es bastante costosa, se realiza en laboratorios por destilación. Para ello, se hierve el agua y los vapores se condensan para así obtener agua prácticamente libre de sales. Sin embargo, normalmente contiene disueltos los gases de la atmósfera, en particular el dióxido de carbono, el que produce una acidificación del agua, por lo que esta puede disminuir su pH, llegando hasta valores próximos a 5,0. En la siguiente figura se ilustra un aparato simple de destilación.

El agua que se va a destilar es vaciada en el matraz de destilación y por calentamiento se produce su ebullición. Los vapores son condensados en el refrigerante, en el que circula agua fría. En el matraz de Erlenmeyer se recoge el agua en estado líquido, ya destilada.

Aunque la destilación provee agua de alta pureza, su alto costo no la perfila como un procedimiento apropiado para la purificación de agua a gran escala. Ejercicio: Habrás escuchado hablar de destilación y de rectificación. ¿Cuál es la diferencia entre estos procedimientos? ¿Por qué no se habla de agua rectificada pero sí de agua destilada? ¿Qué es la potabilización del agua? El proceso para potabilizar el agua consiste básicamente en cuatro etapas: 1) precloración y floculación; 2) decantación; 3) filtración; y 4) cloración. En la primera etapa se eliminan, mediante el tratamiento con cloro, los microorganismos. Posteriormente se adicionan agentes floculantes (como sulfato de aluminio) que producen una aglutinación de las partículas contaminantes, separadas, en esta etapa, por decantación. En un tercer momento, se filtra el agua para separar las partículas de menor tamaño y, eventualmente, se adiciona carbón activado para eliminar las sustancias que imparten al agua mal sabor y olor. Finalmente, se vuelve a adicionar cloro para eliminar los microorganismos que aún pueden estar presentes en el agua.

¿Qué efectos causa la contaminación de las aguas? La bioacumulación es el problema más serio que deben enfrentar los organismos que habitan en el agua y la tierra. Metales pesados y sustancias orgánicas, provenientes de diferentes actividades humanas, se transfieren de un organismo a otro a través de la cadena alimentaria. El proceso ocasiona serias alteraciones al medio acuático y muchas veces trastornos genéticos que difícilmente se pueden reparar.

¿Qué usos podemos dar al agua? El agua tiene múltiples usos, pues es una sustancia vital en la supervivencia de los seres vivos y muy importante, además, en actividades agrícolas, industriales y de minería. Para funciones como la refrigeración, alimentación de calderas de vapor y lavado de textiles, el agua debe tener una baja concentración de sales de calcio y magnesio. Las aguas que tienen estas características se denominan blandas, mientras que las aguas duras contienen una alta concentración de esas sales y no forman espuma con los jabones. Las aguas del norte de Chile son particularmente duras y el carbonato de calcio alcanza en algunas ciudades concentraciones de alrededor de 800 partes por millón (ppm), lo que significa que 1 millón de gramos o 1000 kg de esa agua contiene 800 g de CaCO3. El agua de ciudades del sur de Chile, en cambio, es generalmente mucho más blanda y puede contener solo 60 g de CaCO3 por 1000 kg de agua, es decir, 60 ppm de carbonato de calcio. ¿Has escuchado acerca de la dureza del agua? La piedra caliza, el carbonato de calcio y la dolomita, sal doble de carbonato de calcio y carbonato de magnesio, se encuentran comúnmente en la superficie de la tierra en ciertos sectores y a menudo penetran en los suministros de agua. El carbonato de calcio es insoluble en agua, pero en presencia de anhídrido carbónico, proveniente de la atmósfera, se transforma en bicarbonato de calcio, según lo muestra la siguiente ecuación

El bicarbonato de calcio en solución acuosa se encuentra como los iones Ca2+ y como bicarbonato, HCO31-. La presencia de los iones Mg2+ y Ca2+ determina que esta agua sea calificada como agua dura (K), que puede distinguirse según su dureza temporal o su dureza permanente. Cuando la dureza es temporal, los iones calcio y magnesio se encuentran en forma de bicarbonatos de calcio y magnesio. Esta dureza se elimina por la descomposición térmica de las sales, bicarbonatos de calcio y magnesio, que se encuentran en solución. Al someter a ebullición esta agua, se produce lo siguiente:

El carbonato de calcio y carbonato de magnesio corresponden al sarro que se forma en las teteras, en los hervidores de agua o en las paredes internas de las calderas, por ejemplo. El sarro puede ser disuelto a través de un tratamiento con un ácido débil, como el ácido acético contenido en el vinagre. La reacción que describe este proceso es la siguiente:

En el caso de la dureza permanente, los iones calcio y magnesio están como sales de sulfato de calcio y sulfato de magnesio. Esta dureza del agua se puede eliminar mediante resinas de intercambio iónico; otro método alternativo es la adición de carbonato de sodio, con lo que se logra la precipitación del carbonato de calcio. La reacción que describe este cambio es la siguiente:

Jabones Los jabones son sales de ácidos grasos de cadena carbonada larga, que puede ser entre 12 a 18 átomos de carbono. El sector del grupo alquilo es apolar, y por lo tanto es soluble en grasas y aceites, pero insoluble en agua. El extremo donde se encuentra el grupo carboxílico es muy polar, y por tanto soluble en agua. El jabón tiene un

extremo hidrofílico (amante del agua) y otro hidrofóbico (temeroso o repelente al agua), y es soluble en aceites y grasas. La suciedad se adhiere al cuerpo y a la ropa como una capa de grasa o aceite, por lo que el jabón tiene la constitución perfecta para rodear a la grasa o aceite por su extremo hidrofóbico y permitir que su extremo hidrofílico esté en contacto con el agua donde es soluble.

Representación esquemática de dos micelas formadas por moléculas de jabón en agua. Las micelas forman una dispersión coloidal y se eliminan con el agua. La dureza del agua, independiente de que esta sea temporal o permanente, es determinante en la disminución de la acción limpiadora de los jabones. Los iones Ca2+ y Mg2+ forman sales insolubles con las moléculas orgánicas del jabón; en el lenguaje corriente se dice que el jabón “se corta”. Esto obliga a utilizar una mayor cantidad de jabón y, además, dificulta el proceso de enjuague, ya que las telas se impregnan con las sales insolubles precipitadas. ¿Cuál es la estructura del agua? El agua es un compuesto que está constituido por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. Los enlaces hidrógeno – oxígeno son covalentes, dado que comparten un par electrónico. Debido a que el oxígeno tiene un carácter no metálico mayor, el par electrónico de enlace está más cerca de este elemento que del hidrógeno, determinando la polaridad del enlace. La estructura de la molécula de agua es angular, y el ángulo de enlace es de 105º, tal como lo muestra la siguiente figura:

La estructura del agua es un dipolo, donde el oxígeno tiene una densidad de carga negativa, y asociado a los hidrógenos encontramos una densidad de carga positiva. La condición de polaridad de las moléculas del agua hace que estas se atraigan entre sí, generando una interacción molecular entre el polo positivo de una molécula y el

polo negativo de otra, mediante una asociación llamada puente de hidrógeno o enlace puente de hidrógeno.

¿Cuáles son las propiedades del agua? Las características estructurales de la molécula de agua explican las propiedades generales de esta, como su elevado punto de fusión y de ebullición en comparación con sus análogos del mismo grupo del sistema periódico (H2S, H2Se, H2Te). Si se siguiera la tendencia de estos compuestos, el agua debería hervir a alrededor de – 100ºC, como se muestra en el valor extrapolado de la siguiente figura.

La razón que explica la mayor energía que es necesario aplicar para que el agua alcance su punto de ebullición, responde a la formación de estructuras más estables producto de las atracciones ejercidas por los puentes de hidrógeno. Las atracciones establecidas por estos son las que determinan la dureza del hielo y su baja densidad, que a su vez se debe a la estructura abierta del sólido, donde se ordenan las unidades H2O enlazadas entre sí por enlaces de hidrógeno. El poder disolvente del agua frente a otras sustancias incrementa las posibilidades de contaminación, más todavía al interior de la corteza terrestre, donde el agua se suele encontrar a altas temperaturas, en particular, en zonas con actividad volcánica. La solubilidad de las sales en el agua aumenta con la temperatura, como se puede observar, por ejemplo, en el caso del cloruro de potasio.

En este caso hay una relación prácticamente lineal entre la solubilidad de la sal en agua y la temperatura, pero no debes pensar que eso debe ser siempre así. El poder disolvente del agua ha provocado que esta sea caracterizada como un solvente universal, pero tal designación debe ser evitada, ya que no existe un

disolvente con tales características, como tampoco habría recipiente alguno en el cual pudiera ser contenido. De hecho, el agua no disuelve grasas, aceites, celulosa, metales nobles, cuarzo y una gran cantidad de materiales de naturaleza muy diversa. El fenómeno de autoionización del agua provee una baja concentración de iones H+ y OH-, lo que explica su casi nula conductividad eléctrica y neutralidad desde el punto de vista ácido-base (la concentración molar de iones hidrógeno y de iones hidróxilo es de 1 x 10-7). Recuerda que el pH del agua es 7.

La autoionización se produce, entre otros factores, como consecuencia de la polaridad de las moléculas de agua. Por otra parte, el fenómeno de electrólisis del agua se basa justamente en su naturaleza eléctrica. Dicho proceso no ocurre de manera espontánea, pero puede ser producido por acción de la corriente eléctrica cuando se aplica un potencial eléctrico, suministrado por una pila o batería, a dos placas metálicas sumergidas en una disolución acuosa. Es importante que jamás intentes utilizar la corriente eléctrica de la red domiciliaria de 220 V para hacer experimentación, ya que esto puede desencadenar un accidente fatal. Por lo anterior, para los experimentos, solamente debes ocupar pilas pequeñas de 1,5 V o, como máximo, 9 V. La descomposición electrolítica es un proceso endergónico que se puede llevar a cabo en un Voltámetro de Hoffman.

Se puede advertir la presencia de hidrógeno en el agua acercando una pajilla encendida, pues, al ser el hidrógeno un combustible, debería generar una pequeña explosión. La presencia de oxígeno, en tanto, se puede comprobar al acercar una pajilla en ignición, lo que debería encender una llama, dado el carácter de comburente que tiene el oxígeno. El volumen de hidrógeno obtenido es el doble que el volumen de oxígeno, lo que está en concordancia con los coeficientes estequiométricos 2 para el hidrógeno y 1 para el oxígeno, de la ecuación de descomposición.