El por qué de las maravillas del agua.
El agua es extraordinaria lo que se debe a
sus propiedades únicas. Es una substancia que es encuentra en la Tierra en los
tres estados de la materia principalmente como líquido y sólido. Todo esto se
deriva de su estructura molecular y del ordenamiento de sus moléculas que
significativamente distinto en sus tres estados.
Estructura
y propiedades de los líquidos. Modelo cinético molecular de los líquidos.
En un líquido las moléculas están muy
juntas de tal forma que hay poco espacio entre ellas por lo que los líquidos
son mucho más difíciles de comprimir que los gases y más densos en condiciones
normales. Un líquido tiene un volumen definido dado que sus moléculas presentan
fuerzas de atracción entre ellas, sin embargo pueden moverse libremente entre
sí , de esta manera fluyen y se pueden vaciar de un recipiente a otro y tomar
la forma del recipiente que se obtiene.
Al calentar un líquido, el movimiento de sus
moléculas aumenta y cuando las burbujas del vapor que se han formado en el
interior del líquido llegan a la superficie, ejercen una presión de vapor que
iguala la presión atmosférica alcanzando el punto de ebullición. Así, el punto
de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es
igual a la presión sobre la superficie del mismo.
Al enfriar un líquido, la temperatura
disminuye hasta que éste se empieza a transformar en un sólido, a partir de ese
momento, la temperatura permanece constante hasta que todo el líquido se
transforma en sólido, dicha temperatura se conoce como punto de congelación. En
el proceso opuesto, se le conoce como punto de fusión.
El punto de congelación y de fusión se han
definido como la temperatura a la cual los estados sólido y líquido de una
substancia están en equilibrio.
La eliminación o absorción de calor (calor
latente) a temperatura constante es característica del cambio de estado de una
substancia. Se requiere de energía para fundir un sólido (calor latente de
fusión) , para evaporar un líquido, porque es preciso vencer las fuerzas
intermoleculares que los constituyen.
Los líquidos también presentan el fenómeno capilaridad,
que es la elevación espontánea de un líquido en un tubo angosto. Esta acción
proviene de las fuerzas de cohesión dentro de un líquido y de las fuerzas de
adhesión entre el líquido y las paredes del recipiente que lo contiene.
Los líquidos presentan una resistencia a
fluir debida a las fuerzas de atracción intermoleculares que permiten que el
conjunto de moléculas se mueva como un solo cuerpo, a
esta propiedad se le llama viscosidad.
Propiedades
del agua
El agua es una substancia excepcional, es
un compuesto de gran estabilidad, cuyas moléculas se atraen unas a otras con
gran fuerza lo que le proporciona propiedades sorprendentes como absorber o
irradiar más calor que la mayoría de las substancias. La capacidad térmica o
capacidad calorífica es la cantidad de calor que se requiere para elevar la
temperatura de un sistema en una cantidad específica. Es la cantidad de calor
necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura de un gramo de
materia.
Si el agua se comportara como el resto de
los líquidos el hielo sería más pesado que el agua, se iría al fondo y no se
formaría la capa protectora que impide que se congelen las capas más profundas
de los mares, lagos y ríos, lo que eliminaría toda forma de vida acuática. Esto
se debe a su densidad.
Casi todas las substancias disminuyen su
volumen al descender su temperatura pero el agua sigue esta regla sólo hasta
los 4°C en donde se dilata y se vuelve más ligera ( se expande al congelarse).
La
densidad se ha definido como la cantidad de materia en un volumen dado: m/v .
Poder disolvente. Al agua s ele ha llamada
el disolvente universal por su capacidad de disolver tanto substancias iónicas
(sal) o substancias covalentes (azúcar). Es un poderoso disolvente de
substancias orgánicas e inorgánicas de tal modo que es casi imposible encontrar
agua químicamente pura. El poder disolvente del agua se debe a su naturaleza
polar y a su capacidad de formar puentes de hidrógeno por lo que si no existen
moléculas polares o iones en el soluto, el agua no las disuelve, por ello se
dice que tiene poder disolvente sólo cuando existen semejanzas entre el soluto
y el disolvente.
Sustancia
|
Capacidad térmica específica
|
Densidad
|
Punto de fusión a nivel del mar
|
Punto de ebullición al nivel del mar
|
Agua
|
1 cal/g°C
|
1 g/cm3 (a
4°C)
|
0°C
|
100 °C
|
Composición del agua: electrólisis y síntesis.
El agua dejo de ser un elemento para ser un compuesto, hasta que
lo estableció en 1783, Antonie Lavoisier.
La síntesis del agua se ha realizado desde el siglo XVIII pesando
cuidadosamente el hidrógeno y el oxígeno y haciéndolos reaccionar al hacer
saltar una chispa eléctrica entre las terminales de platino de un eudiómetro.
La ecuación que representa la síntesis del agua es:
2H2 + O2 → 2H2O
El análisis del agua se realiza por electrolisis, que
consiste en la descomposición de una sustancia por acción de la electricidad.
El voltámetro de Hoffman es el aparato de laboratorio en el que se lleva a cabo
la electrolisis del agua. La ecuación que representa la descomposición del agua
por electrolisis es:
2H2O → 2H2 + O2
Para determinar la composición de una sustancia se ha empleado dos
métodos generales: análisis y síntesis. El primero consiste en descomponer un
peso conocido del compuesto en sus elementos y determinar la proporción en peso
de cada uno de ellos en la muestra analizada. El agua se pesa antes y después del
experimento.
La síntesis consiste en obtener un compuesto al combinar
los pesos proporcionales de sus elementos.
Desde 1815, al establecer Avogadro que la relación de los volúmenes
de las moléculas, a igual presión y temperatura, es igual a la relación de lo átomos
que forman la molécula, en el caso del agua, al haber dos volúmenes de
hidrógeno por unos de oxígeno, u formula se representa como H2O.
Estructura molecular del agua: Enlaces covalentes.
Moléculas polares y no polares. Puentes de hidrógeno.
Las propiedades del agua se deben a su estructura. La estructura
de loa átomos y las moléculas fueron representadas por Gillbert Lewis como símbolo
de electrón-punto en donde los electrones de valencia se representan como
puntos alrededor del símbolo del elemento.
La molécula del agua, formada por dos átomos de hidrógeno, cada
uno con un electrón de valencia y un átomo de oxígeno, con seis electrones se
unen con enlace covalente para formar un octeto que es la configuración electrónica
más estable, además tiene una representación de su estructura electrónica con
seis puntos para el oxígeno, que se comparten con dos electrones de hidrógeno
representados por una cruz.
La representación tridimensional en donde los electrones ocupan volúmenes
de formas diferentes que pueden tener una dirección en el espacio.
Como los átomos de oxígeno tienen mayor electronegatividad que los
de hidrógeno se produce un desequilibrio de cargas: los electrones son atraídos
con más fuerza hacia el núcleo del oxígeno que hacia los átomos de hidrógeno, originándose
en las moléculas de agua una separación parcial de la carga electrónica, lo que
convoca a la aparición de cargas aparentes en la molécula o formación de un dipolo.
La capacidad del agua para disolver sustancias iónicas y covalentes resulta de
estos dipolos.
En el caso de las sustancias iónicas, como el cloruro de sodio, formadas
por redes de cationes y aniones, la molécula polar de agua se orienta con el
polo positivo alrededor de los aniones cloruro y el polo negativo alrededor de
los cationes sodio. Esta separación de los iones por acción del agua constituye
la disolución.
El enlace entre la moléculas de una sustancia o unión por puente
de hidrogeno es aquella provocada por la fuerza intermolecular que actúa entre
las moléculas polares de una sustancia que contiene hidrógeno y otro elemento
muy electronegativo como el flúor, oxígeno o nitrógeno. El enlace se origina
por la atracción entre el protón del hidrógeno y los electrones del elemento más
electronegativo. La atracción entre la moléculas de agua es lo suficientemente
fuerte como para formar agregados de grupos de moléculas de agua en los estados
líquido y solido.
La capacidad del agua para disolver otras sustancias,
particularmente sales iónicas resulta de los dipolos. Sin embargo, cuando el
disolvente es polar, como en el caso del agua, existe además una fuerte atracción
entre las moléculas del disolvente y los iones del soluto, esta atracción hace
que se separen los iones de cristal y entren en la disolución.
Regulación del clima.
Se define al clima como el estado general de la atmosfera. El
clima es uno de los factores del medio ambiente que interviene en el ecosistema
y modifica de manera importante el comportamiento humano.
El influye en la vida en muchas personas, como cuando se evapora
el agua de los océanos y debido a las corrientes de aire se modera la
temperatura de la Tierra. El alto calor especifico del agua permite que esta
pueda absorber una gran cantidad de calor mientras que su temperatura solo
aumenta ligeramente.
Los procesos atmosféricos son complejos y se valoran tomando en
cuenta factores biológicos, físicos y químicos como: latitud, altitud, humedad,
nubosidad, sistemas de vientos, calor, visibilidad, radiación, etc. El volumen
del agua superficial de la Tierra se modifica no solo debido a estos sistemas
sino por la forma de las moléculas del agua, su tipo de enlaces, su capacidad calorífica
y su calor latente, lo cual influye en la cantidad de agua superficial evaporada
y aumenta la humedad y la nubosidad atmosférica que a su vez afectan la
temperatura y la cantidad de radiación que llega a la Tierra. Esta radiación solar
es la fuente básica de energía en los procesos atmosféricos.
La conservación del clima y de las especies de la Tierra tiene que
ver con la capacidad calorífica del agua. El agua puede absorber gran cantidad
de calor sin elevar su temperatura.
Disoluciones. Concentración y por ciento molar.
Una disolución es una mezcla homogénea, en la cual los componentes
están uniformemente dispersos. La sustancia presente en mayor cantidad es el
disolvente y la otra sustancia o sustancias reciben el nombre de solutos.
Cuando una disolución contiene la cantidad máxima de soluto que se
puede disolver a una temperatura determinada se dice que está saturada. La
cantidad de disolución se define en términos de masa o volumen.
-Para encontrar el porcentaje en masa, se divide la masa del soluto
entre la masa total de la disolución y se multiplica por 100.
-Al expresar la masa en gramos y al considerar que la masa de la disolución incluye tanto la masa del soluto como la del disolvente, resulta que:
-Al expresar la masa en gramos y al considerar que la masa de la disolución incluye tanto la masa del soluto como la del disolvente, resulta que:
-Para encontrar el porcentaje en volumen, se divide el volumen del
soluto entre el volumen total de la disolución y se multiplica por 100.
-También se puede obtener el porcentaje en términos de masa/volumen
(soluto en masa y la disolución en volumen).
-Las disoluciones molares, describen la cantidad
de soluto en moles entre el volumen de la disolución en litros.
-Se puede calcular los moles del soluto en una disolución, al
despejarlos de la formula:
-Moles del soluto=molaridad x litros de disolución.
La neutralización es una
reacción entre un acido y una base.
Electrólitos y no electrólitos.
En 1883 M. Faraday
descubrió que las disoluciones acuosas de ciertas sustancias en disolución no
lo hacen. Designo al proceso como electrolisis, al electrodo positivo como ánodo
y al negativo como cátodo, iones a las partículas con carga positiva. Considero
que los aniones (-) se dirigen al ánodo (+) y los cationes (+) al cátodo (-) pues cargas de signo contrario
se atraen. Los electrolitos, sustancias en disolución acuosa o fundida, forman
iones positivos y negativos que pueden conducir corriente eléctrica y los no
electrolitos no conducen la corriente eléctrica. Generalmente, los ácidos, las
bases y las sales son electrolitos y los compuestos orgánicos son
no-electrolitos.
Ácidos, bases y pH.
Ácidos
La palabra acido proviene
del latín acidus. Los ácidos tienen sabor agrio, producen cambios de
color en pigmentos vegetales, cambian el color del papel tornasol de azul a
rojo, reaccionan con ciertos metales como el zinc, magnesio y hierro para
producir hidrogeno gaseoso, reaccionan con carbonatos y bicarbonatos para producir
dióxido de carbono gaseoso. Las disoluciones acuosas de los ácidos conducen la
electricidad.
Hidróxidos
Son ácidos binarios
formados por dos elementos: hidrogeno y un no metal. El hidrogeno forma un
catión H y el no metal el anión, se nombran con la palabra acido seguida del no
metal con la terminación o sufijo hídrico.
Formula del acido Nombre
del acido
HF Acido fluorhídrico
Oxiácidos
Se obtienen al reaccionar
un oxido no metálico con agua. Son ácidos temarios, formados por; hidrogeno,
oxigeno y un elemento cuya raíz le da el nombre al acido. El nombre del acido
lleva el sufijo oso.
Formula del acido Nombre
del acido
HNO3 acido nítrico
HNO2 acido
nitroso
Bases:
Las bases tienen sabor
amargo, son jabones al tacto, producen cambios de color en pigmentos vegetales,
cambian el color del papel tornasol de rojo a azul. Las disoluciones acuosas de
las bases conducen la electricidad. Se obtienen, en general al reaccionar un
oxido metálico con agua:
CaO + H2O à
Ca (OH)2
Son compuestos formados
por cualquier catión excepto H y el anión (OH)- se nombran con la palabra hidróxido
seguida del nombre del catión, el cual en caso de presentar dos números de
oxidación, se puede nombrar con el sufijo ico en su mayor valor y uso en su
menor valor. Tambien se puede usar la nomenclatura que es
la valencia del catión mediante un número romano encerrado en un paréntesis que
se pone enseguida del nombre del catión
Formula Nombre de la base Catión
NaOH hidróxido de
cobre (II) Na+
O cúprico
pH
El concepto de pH es
común en el lenguaje de los cosméticos, por ejemplo un jabón con pH neutro o un
enjuague para cabello con pH acido. Ello significa que se hace referencia a la
medida de la acidez de la sustancia, valor muy importante en muchas reacciones
especialmente las bioquímicas.
El pH es la
representación del potencial de hidrogeno, es decir que se considera la
concentración de iones hidrogeno, que se presenta [H+] y se basa en la
ionización del agua. Tabla de pH
La determinación de la
acidez de una sustancia se puede realizar con instrumentos para medir el pH
(potenciómetros) o con indicadores. Los potenciómetros miden el grado de acidez
con una precisión de un milésimo.
La forma más sencilla de
medir el pH es la que emplea un indicador acido-base, sustancia que presenta
coloraciones diferentes de acuerdo con la acidez o basidad de la disolución.
Por ejemplo el tornasol en medio acido tiene color rojo y azul en medio
alcalino. A continuación una tabla de los cambios de color.
Neutralización y
formación de sales.
El ion hidrogeno del
acido se une al ion oxhidrilo de la base para formar agua:
H + OH- à H 2O
Y el catión de la base se
une al anión del acido para formar una sal de tal mofo que las reacciones
acuosas acido-base se caracterizan por la siguiente ecuación:
Acido + base à sal + agua
El numero de moléculas de
agua formadas corresponde al numero de iones de hidrogeno y iones de oxhidrilo.
Cuando el numero de iones hidrogeno es diferente al de iones de oxhidrilo se
debe poner como coeficiente del acido.
Formación de sales
Las sales son el
resultado de sustituir total o parcialmente el hidrogeno de un acido por un
metal. Las sales pueden ser binarias, formadas por dos elementos, un metal y un
no metal; ternarias, constituidas por tres elementos, generalmente un metal, un
no metal y oxigeno.
Las sales acidas son las
que contienen hidrógenos ácidos sustituibles.
La formula de las sales y
de cualquier compuesto se obtiene con el balance de cargas positivas y
negativas, la suma algebraica de ellas debe se igual a cero, de tal manera que
la formula del compuesto sea neutra.
Se nombra primero el anión
seguido del catión:
Formula de la sal Nombre de la sal Catión Anión
NaCl Cloruro
de sodio Na+ Cl-
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