El Agua
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EL AGUA 1. DEFINICIÓN Y DISTRIBUCIÓN El agua es una molécula inorgánica binaria, compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Es el compuesto más abundante de la naturaleza, la molécula más abundante de los seres vivos. Organismos sencillos como medusas poseen un 98% de agua corporal, en el hombre adulto, un ser con mayor complejidad, el porcentaje de agua llega al 63% siendo el cerebro el órgano más hidratado con 90% de agua. En las plantas, las semillas tienen 10% de agua mientras que las frutas alcanzan hasta el 96%. Se encuentra en los tres estados de la materia: sólido, constituyendo el hielo de las regiones polares donde la temperatura está bajo cero y en las cumbres muy altas en forma de nieve o de escarcha en estaciones invernales; líquido, formando océanos, lagos, ríos, etc; y gaseoso, formando parte de la atmósfera, donde proporciona la humedad ambiental necesaria para la supervivencia de los seres vivos. El agua se encuentra distribuida en los mares, que constituyen la reserva más importante de agua, los depósitos de hielo o de nieve, las aguas terrestres, la atmósfera y por último la biosfera. Con mayor precisión, el mar contiene 1350x1015m3, es decir, el 97,4% de toda el agua contenida en la hidrosfera. Los continentes presentan 33,6x1015m3 de agua, principalmente localizado en los hielos árticos y antárticos. La atmósfera sólo alberga una cienmilésima parte del contenido en agua del sistema climático: 0,013x1015m3 de agua. El agua continental se distribuye de la siguiente forma: en los glaciares 25x1015m3; las aguas subterráneas y valdosas (suelos) alcanzan valores de 0,066x1015m3 y finalmente en la materia viva 0,0006x1015m3, debido a que nuestro origen fue en los mares primitivos.
2. ESTRUCTURA MOLECULAR La molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Como el átomo de oxígeno tiene sólo 2 electrones no apareados, para explicar la formación de la molécula H2O se considera que de la hibridación de los orbitales atómicos 2s y 2p resulta la formación de 2 orbitales híbridos sp3. El traslape de cada uno de los 2 orbitales atómicos híbridos con cada orbital 1s1 de un átomo de hidrógeno forma dos enlaces covalentes que generan la formación de la molécula H 2O, y se orientan los 2 orbitales sp3 hacia los vértices de un tetraedro triangular regular y los otros vértices son ocupados por los pares de electrones no compartidos del oxígeno. Esto cumple la tendencia de los electrones no apareados a separarse lo más posible. Experimentalmente se encontró que el ángulo que forman los 2 enlaces covalentes oxígeno-hidrógeno es de 104,5º y la longitud de enlace oxígeno-hidrógeno es de 0.96 angstroms y se requiere de 118 kcal/mol para romper uno de éstos enlaces covalentes de la molécula H2O. Además, el que el ángulo experimental de enlace sea menor que el esperado teóricamente (109º) se explica como resultado del efecto de los 2 pares de electrones no compartidos del oxígeno que son muy voluminosos y comprimen el
ángulo
de
enlace
hasta
los
104,5º.
Las fuerzas de repulsión se deben a que los electrones tienden a mantenerse separados al máximo (porque tienen la misma carga) y cuando no están apareados también se repelen. Además núcleos atómicos de igual carga se repelen mutuamente. Las fuerzas de atracción se deben a que los electrones y los núcleos se atraen mutuamente porque tienen carga opuesta, el espín opuesto permite que 2 electrones ocupen la misma región pero manteniéndose alejados lo más posible del resto de los electrones. Por todo esto el agua en lugar de presentar una geometría tetraédrica presenta una geometría tetraédrica irregular o angular.
•
Dipolaridad y cohesión molecular Entre el oxígeno y cada uno de los hidrógenos se establece un enlace covalente
polar, un par de electrones compartidos, pero el oxígeno por ser más electronegativo termina concentrando los electrones en su zona, esto determina una molécula bipolar, con polo positivo y polo negativo.
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. 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. El puente de hidrógeno es una interacción electrostática entre el núcleo de hidrógeno de una molécula de agua y el par de electrones no compartidos de otra, es el enlace intermolecular más fuerte que existe, lo que confiere a la masa de agua una gran cohesión.
3. PROPIEDADES FÍSICAS •
Elevada Constante Dieléctrica La constante dieléctrica (D) es una medida de las propiedades de un solvente
para mantener cargas opuestas separadas. En el vacío, D = 1 y en aire, es apenas un poco mayor. En la siguiente Tabla, se muestra la constante dieléctrica de algunos solventes comunes, así como sus momentos dipolares permanentes. Solvente
Constante dieléctrica (D) Formamida 110.0 Agua 78.5 Dimetil sulfóxido 48.9 Metanol 32.6 Etanol 24.3 Acetona 20.7 Amoniaco 16.9 Coloroformo 4.8 Eter dietílico 4.3 Benceno 2.3 CCL4 2.2 Hexano 1.9
Momento dipolar (debye) 3.37 1.85 3.96 1.66 1.68 2.72 1.47 1.15 1.15 0.00 0.00 0.00
El agua tiene una alta capacidad para desestabilizar las moléculas polares, tales como las sales, ácidos y bases, y algunas moléculas orgánicas que tengan grupos polares. Al ser desestabilizada una molécula polar se separan sus componentes los
cuales son rodeados por moléculas de agua. Este mecanismo capacita al agua como un gran disolvente; sirve de medio para las reacciones celulares, la absorción de moléculas nutritivas y permite la excreción de desechos. La interacción entre un soluto y el solvente sin que ocurran cambios químicos significativos se denomina disolución o solvatación de la sustancia; cuando el solvente es el agua se denomina hidratación. La hidratación favorece la formación del estado coloidal que es característico de los seres vivos. Aquellas moléculas de agua que forman una envoltura de hidratación a los diversos iones y moléculas a nivel celular se denominan agua ligada y representa el 5% de agua celular. El 95% de agua restante, denominada agua libre, no está relacionada a iones o moléculas y actúa como disolvente de moléculas. •
Tensión superficial La tensión superficial es la cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar
la superficie de un líquido por unidad de área. Los líquidos que tienen fuerzas intermoleculares grandes también tienen tensiones superficiales altas. El agua tiene una elevada tensión superficial, por ello muchos insectos ponen sus huevos o caminan sobre la superficie de charcas de agua sin hundirse, esto es explicable porque las moléculas de agua superficiales están cohesionadas con las moléculas de agua inferiores, formando una red molecular compacta que soporta las presiones externas. El valor de la tensión superficial tiene relación directa con la frecuencia de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, de modo que su valor disminuye al calentarse. Tensión superficial del agua a diferentes temperaturas Temperatura (OC)
Tensión superficial (J/m2)
20
7,29 x 10-2
40
6,99 x 10-2
60
6,70 x 10-2
80
6,40 x 10-2
•
Elevado Calor Específico El alto calor específico se define como la cantidad de energía que se requiere
para elevar un grado centígrado un gramo de cualquier sustancia. La masa de agua requiere una elevada cantidad de energía para poder elevar un grado centígrado su temperatura, porque sus puentes de hidrógeno le otorgan una gran estabilidad. Esto explica el alto punto de ebullición del agua que llega a 100oC a una atmósfera de presión. Durante el día el medio terrestre se calienta con facilidad mientras que el medio acuático varía apenas su temperatura, es decir el agua decepciona gran cantidad de calor sin cambiar considerablemente su temperatura (elevada capacidad calorífica o elevado calor específico), esto garantiza condiciones térmicas más o menos estables en el medio acuático, lo que significa que el agua es un excelente termorregulador ambiental. El aumento de temperatura en una sustancia tiene que ver con el incremento del movimiento molecular; como las moléculas de agua son bipolares pueden asociarse entre sí (cohesión intermolecular) mediante enlaces débiles llamados puentes de hidrógeno formando redes moleculares, por tal razón al aplicar calor al agua, una gran parte de la energía sirve para romper estos enlaces intermoleculares y hace falta más calor para generar el movimiento molecular e incrementar la temperatura, para que el agua pase al estado de vapor una vez alcanzado los 100 oC hace falta otra dosis de calor (calor por vaporización). El exceso de calor generado en el interior del organismo se elimina eficientemente por evaporación del agua, en este caso el agua se constituye en un termorregulador orgánico. •
Densidad Al enfriar el agua líquida aumenta su densidad, la cual alcanza un máximo de
1g/cm3 a 4oC; al seguir enfriando, la densidad empieza a descender, es así como el hielo (0oC) es menos denso que el agua líquida y flota en la superficie de los mares y lagos; esto es importante porque actúa como un aislante que evita el enfriamiento de las aguas profundas, lo que permite la vida de organismos poiquilotermos. Los organismos poiquilotermos son los que tienen temperatura variable, e incluye a la mayoría de animales, desde los poríferos hasta los reptiles.
•
Capilaridad Es la capacidad que tiene el agua de ascender por un tubo fino llamado capilar.
Cuando el agua asciende por el capilar hay moléculas que suben adheridas a la pared del tubo y jalan a las moléculas que están debajo mediante fuerzas de cohesión. La capilaridad se debe a la suma de las fuerzas de adhesión, cohesión y tensión. La ascensión del agua y sales (savia inorgánica) en las plantas es explicada a través del proceso de capilaridad. Las plantas vasculares son las que tienen xilema y floema. La capilaridad se da a través del xilema que es el total de vasos leñosos de la planta. Los vasos leñosos son tubos muy finos formados por células muertas que se disponen una sobre otra. La capilaridad no es el único proceso implicado en la ascensión de la savia inorgánica, hay otros procesos tales como la presión radical y la transpiración. 4. PROPIEDADES QUÍMICAS Son las propiedades que tiene el agua cuando experimenta cambios en su composición. Químicamente el agua es una sustancia muy estable, sin embargo puede descomponerse a 1600oC y en presencia de platino; o por electrólisis. La estabilidad del agua es muy importante para la vida, ya que explica la gran estabilidad de los seres vivos. •
Autodisociación del Agua El agua líquida posee una mínima tendencia a ionizarse en ion hidróxido (OH_) e
ion hidronio (H3O+). La ionización se produce cuando un protón de H+ pasa de una molécula de agua a otra.
El ion positivo que se forma es el hidronio (H3O+) y no el hidrogenión (H+), sin embargo por conveción la autodisociación del agua se expresa mediante la ecuación: H2O
H+ + OH_
Según la terminología de Lewis la autoionización del agua es una reacción ácido-base. El agua se comporta como anfótero, o sea como ácido y como base. El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de : agua molecular (H2O ) protones hidratados (H3O+ ) e iones hidroxilo (OH-) En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto iónico del agua a 25º es:
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones. Según ésto: disolución neutra pH = 7 disolución ácida pH < 7 disolución básica pH > 7 En el gráfico siguiente se señala el pH de algunas soluciones. En general la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.
2. ESTRUCTURA MOLECULAR La molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Como el átomo de oxígeno tiene sólo 2 electrones no apareados, para explicar la formación de la molécula H2O se considera que de la hibridación de los orbitales atómicos 2s y 2p resulta la formación de 2 orbitales híbridos sp3. El traslape de cada uno de los 2 orbitales atómicos híbridos con cada orbital 1s1 de un átomo de hidrógeno forma dos enlaces covalentes que generan la formación de la molécula H 2O, y se orientan los 2 orbitales sp3 hacia los vértices de un tetraedro triangular regular y los otros vértices son ocupados por los pares de electrones no compartidos del oxígeno. Esto cumple la tendencia de los electrones no apareados a separarse lo más posible. Experimentalmente se encontró que el ángulo que forman los 2 enlaces covalentes oxígeno-hidrógeno es de 104,5º y la longitud de enlace oxígeno-hidrógeno es de 0.96 angstroms y se requiere de 118 kcal/mol para romper uno de éstos enlaces covalentes de la molécula H2O. Además, el que el ángulo experimental de enlace sea menor que el esperado teóricamente (109º) se explica como resultado del efecto de los 2 pares de electrones no compartidos del oxígeno que son muy voluminosos y comprimen el
ángulo
de
enlace
hasta
los
104,5º.
Las fuerzas de repulsión se deben a que los electrones tienden a mantenerse separados al máximo (porque tienen la misma carga) y cuando no están apareados también se repelen. Además núcleos atómicos de igual carga se repelen mutuamente. Las fuerzas de atracción se deben a que los electrones y los núcleos se atraen mutuamente porque tienen carga opuesta, el espín opuesto permite que 2 electrones ocupen la misma región pero manteniéndose alejados lo más posible del resto de los electrones. Por todo esto el agua en lugar de presentar una geometría tetraédrica presenta una geometría tetraédrica irregular o angular.
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Dipolaridad y cohesión molecular Entre el oxígeno y cada uno de los hidrógenos se establece un enlace covalente
polar, un par de electrones compartidos, pero el oxígeno por ser más electronegativo termina concentrando los electrones en su zona, esto determina una molécula bipolar, con polo positivo y polo negativo.
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. 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. El puente de hidrógeno es una interacción electrostática entre el núcleo de hidrógeno de una molécula de agua y el par de electrones no compartidos de otra, es el enlace intermolecular más fuerte que existe, lo que confiere a la masa de agua una gran cohesión.
3. PROPIEDADES FÍSICAS •
Elevada Constante Dieléctrica La constante dieléctrica (D) es una medida de las propiedades de un solvente
para mantener cargas opuestas separadas. En el vacío, D = 1 y en aire, es apenas un poco mayor. En la siguiente Tabla, se muestra la constante dieléctrica de algunos solventes comunes, así como sus momentos dipolares permanentes. Solvente
Constante dieléctrica (D) Formamida 110.0 Agua 78.5 Dimetil sulfóxido 48.9 Metanol 32.6 Etanol 24.3 Acetona 20.7 Amoniaco 16.9 Coloroformo 4.8 Eter dietílico 4.3 Benceno 2.3 CCL4 2.2 Hexano 1.9
Momento dipolar (debye) 3.37 1.85 3.96 1.66 1.68 2.72 1.47 1.15 1.15 0.00 0.00 0.00
El agua tiene una alta capacidad para desestabilizar las moléculas polares, tales como las sales, ácidos y bases, y algunas moléculas orgánicas que tengan grupos polares. Al ser desestabilizada una molécula polar se separan sus componentes los
cuales son rodeados por moléculas de agua. Este mecanismo capacita al agua como un gran disolvente; sirve de medio para las reacciones celulares, la absorción de moléculas nutritivas y permite la excreción de desechos. La interacción entre un soluto y el solvente sin que ocurran cambios químicos significativos se denomina disolución o solvatación de la sustancia; cuando el solvente es el agua se denomina hidratación. La hidratación favorece la formación del estado coloidal que es característico de los seres vivos. Aquellas moléculas de agua que forman una envoltura de hidratación a los diversos iones y moléculas a nivel celular se denominan agua ligada y representa el 5% de agua celular. El 95% de agua restante, denominada agua libre, no está relacionada a iones o moléculas y actúa como disolvente de moléculas. •
Tensión superficial La tensión superficial es la cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar
la superficie de un líquido por unidad de área. Los líquidos que tienen fuerzas intermoleculares grandes también tienen tensiones superficiales altas. El agua tiene una elevada tensión superficial, por ello muchos insectos ponen sus huevos o caminan sobre la superficie de charcas de agua sin hundirse, esto es explicable porque las moléculas de agua superficiales están cohesionadas con las moléculas de agua inferiores, formando una red molecular compacta que soporta las presiones externas. El valor de la tensión superficial tiene relación directa con la frecuencia de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, de modo que su valor disminuye al calentarse. Tensión superficial del agua a diferentes temperaturas Temperatura (OC)
Tensión superficial (J/m2)
20
7,29 x 10-2
40
6,99 x 10-2
60
6,70 x 10-2
80
6,40 x 10-2
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Elevado Calor Específico El alto calor específico se define como la cantidad de energía que se requiere
para elevar un grado centígrado un gramo de cualquier sustancia. La masa de agua requiere una elevada cantidad de energía para poder elevar un grado centígrado su temperatura, porque sus puentes de hidrógeno le otorgan una gran estabilidad. Esto explica el alto punto de ebullición del agua que llega a 100oC a una atmósfera de presión. Durante el día el medio terrestre se calienta con facilidad mientras que el medio acuático varía apenas su temperatura, es decir el agua decepciona gran cantidad de calor sin cambiar considerablemente su temperatura (elevada capacidad calorífica o elevado calor específico), esto garantiza condiciones térmicas más o menos estables en el medio acuático, lo que significa que el agua es un excelente termorregulador ambiental. El aumento de temperatura en una sustancia tiene que ver con el incremento del movimiento molecular; como las moléculas de agua son bipolares pueden asociarse entre sí (cohesión intermolecular) mediante enlaces débiles llamados puentes de hidrógeno formando redes moleculares, por tal razón al aplicar calor al agua, una gran parte de la energía sirve para romper estos enlaces intermoleculares y hace falta más calor para generar el movimiento molecular e incrementar la temperatura, para que el agua pase al estado de vapor una vez alcanzado los 100 oC hace falta otra dosis de calor (calor por vaporización). El exceso de calor generado en el interior del organismo se elimina eficientemente por evaporación del agua, en este caso el agua se constituye en un termorregulador orgánico. •
Densidad Al enfriar el agua líquida aumenta su densidad, la cual alcanza un máximo de
1g/cm3 a 4oC; al seguir enfriando, la densidad empieza a descender, es así como el hielo (0oC) es menos denso que el agua líquida y flota en la superficie de los mares y lagos; esto es importante porque actúa como un aislante que evita el enfriamiento de las aguas profundas, lo que permite la vida de organismos poiquilotermos. Los organismos poiquilotermos son los que tienen temperatura variable, e incluye a la mayoría de animales, desde los poríferos hasta los reptiles.
•
Capilaridad Es la capacidad que tiene el agua de ascender por un tubo fino llamado capilar.
Cuando el agua asciende por el capilar hay moléculas que suben adheridas a la pared del tubo y jalan a las moléculas que están debajo mediante fuerzas de cohesión. La capilaridad se debe a la suma de las fuerzas de adhesión, cohesión y tensión. La ascensión del agua y sales (savia inorgánica) en las plantas es explicada a través del proceso de capilaridad. Las plantas vasculares son las que tienen xilema y floema. La capilaridad se da a través del xilema que es el total de vasos leñosos de la planta. Los vasos leñosos son tubos muy finos formados por células muertas que se disponen una sobre otra. La capilaridad no es el único proceso implicado en la ascensión de la savia inorgánica, hay otros procesos tales como la presión radical y la transpiración. 4. PROPIEDADES QUÍMICAS Son las propiedades que tiene el agua cuando experimenta cambios en su composición. Químicamente el agua es una sustancia muy estable, sin embargo puede descomponerse a 1600oC y en presencia de platino; o por electrólisis. La estabilidad del agua es muy importante para la vida, ya que explica la gran estabilidad de los seres vivos. •
Autodisociación del Agua El agua líquida posee una mínima tendencia a ionizarse en ion hidróxido (OH_) e
ion hidronio (H3O+). La ionización se produce cuando un protón de H+ pasa de una molécula de agua a otra.
El ion positivo que se forma es el hidronio (H3O+) y no el hidrogenión (H+), sin embargo por conveción la autodisociación del agua se expresa mediante la ecuación: H2O
H+ + OH_
Según la terminología de Lewis la autoionización del agua es una reacción ácido-base. El agua se comporta como anfótero, o sea como ácido y como base. El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de : agua molecular (H2O ) protones hidratados (H3O+ ) e iones hidroxilo (OH-) En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto iónico del agua a 25º es:
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones. Según ésto: disolución neutra pH = 7 disolución ácida pH < 7 disolución básica pH > 7 En el gráfico siguiente se señala el pH de algunas soluciones. En general la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.
