Dalia Elzabeth Ayala IslasIns Monte Prez

Agua, pH y equilibrio qumico:Entendiendo el efecto

del dixido de carbono

en la acidificacin de

los ocanos

Secretara de Educacin Pblica

Mtro. Aurelio Nuo MayerSecretario de Educacin Pblica

Dr. Rodolfo Tuirn GutirrezSubsecretario de Educacin Media Superior

Mtro. Daniel Hernndez FrancoCoordinador Sectorial de Desarrollo Acadmico

Ins Monte PrezLicenciatura y maestra en Qumica por la unam. Estudiante de doctoradoen la Universidad Humboldt de Berln en el rea de qumica inorgnica.

dra. Alejandra Pellicerm. en c. Roberto Vctor Luna ElizarrarsCoordinadores de la serie. Consejo para la Evaluacin de la Educacin del Tipo Medio Superior a.c. (copeems)

Coordinacin editorialOficina de Enlace de Comunicacin Social de la sems

dcg. Luz Mara Zamitiz CruzDiseo grfico y editorial

Primera edicin, 2016 Secretara de Educacin PblicaSubsecretara de Educacin Media SuperiorArgentina Nm. 28 Col. Centro Histrico, Del. Cuauhtmoc. Mxico, d.f

Se permite la reproduccin total o parcial del material publicado citando la fuente. Los textos son responsabilidad de la autora y no reflejan necesa-riamente la opinin de la Subsecretara de Educacin Media Superior.

9 15 21

1. Introduccin a la estrategia didctica 9

2. Papel del docente 15

3. Presentacin terica 21 a. Agua 23 b. Efectos de las propiedades nicas del agua en la vida 32 c. Auto-disociacin del agua 36 d. Conceptos cido y base 37 e. pH 41 f. Equilibrio qumico 45

4. Secuencia didctica 57 a. Presentacin del agua como un compuesto qumico 62 b. Presentacin de la estructura qumica del agua y las caractersticas que la hacen especial 63 c. Experiencia 1: el agua, tan comn como extraordinaria 63 d. Discusin: el agua y la vida 68 e. Presentacin del tema de la auto-ionizacin del agua 68 f. Presentacin del concepto de pH 69

57 89 97

g. Experiencia 2: construir una escala de pH 69 h. Discusin: el pH en nuestra vida diaria 76 i. Presentacin del concepto de equilibrio qumico empleando los equilibrios entre las especies CO2-carbonato-bicarbonato 77 j. Experiencia 3: determinacin del pH del agua, del agua de mar y del agua con CO2 con la escala construida en el experimento anterior 77 k. Discusin: refrescos, mar, lluvia: diferentes especies en disolucin, diferente pH 81 l. Presentacin del tema de la importancia de los carbonatos y sus equilibrios en los animales marinos con conchas o exoesqueletos 82 m. Experiencia 4: disolver una concha en cido 82 n. Discusin: efecto del CO2 en los sistemas marinos 85 o. Pelcula: la prueba del cido 85 p. Conclusin: participando en el debate social, la ciencia del cambio climtico 86

5. Propuestas de evaluacin 89

6. Lecturas recomendadas 97

Introduccina la estrategia didctica

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Quienes nos dedicamos a la qumica, ya sea mediante la investiga-cin, la docencia o trabajando en campos de aplicacin de sus prin-cipios, nos enfrentamos diariamente con actitudes de escepticismo y desconfianza general hacia esta ciencia. La qumica es percibida por gran parte de la poblacin como una ciencia misteriosa, extre-madamente compleja, apta slo para cientficos encerrados en sus laboratorios y sin conexin con el mundo; una ciencia completa-mente ajena a nosotros. Esta percepcin se acenta en el aula. Los alumnos suelen temer a esta asignatura, la perciben como algo in-comprensible y les es difcil encontrar una conexin entre los con-ceptos que pretendemos ensearles y su vida diaria.

Esta relacin de recelo de la poblacin con respecto a la qumica y a la ciencia en general tiene consecuencias significativas y nega-tivas tanto para la sociedad como para el individuo. Primeramente, el temor a la qumica nos priva del goce que produce comprender mejor nuestro mundo. La qumica est en todo, y aprenderla nos permite conocer ms acerca de nosotros, nuestras percepciones y nuestro entorno. Ms preocupante an, el desconocimiento nos po-siciona en un estado de subordinacin frente a los poseedores del conocimiento. Creemos cualquier cosa que se nos ofrezca como cientfica o cientficamente comprobada, pues no contamos con las herramientas para discernir postulados. Esto restringe nuestra ca-pacidad de crtica, nos impide tomar parte en debates sociales de gran relevancia y nos limita en la construccin de una sociedad par-ticipativa, crtica, reflexiva y consciente.

Nosotros, como profesores de qumica, tenemos la opor-tunidad as como la responsabilidad de eliminar estos prejuicios. Podemos acercar la ciencia a los estudiantes, ofrecindosela como algo cercano, que ellos puedan reconocer en sus vidas diarias. Si en-seamos los conceptos qumicos en relacin con el da a da de los alumnos, podemos conseguir que su aprendizaje sea ms significa-tivo y de esa manera promover ms preguntas y mayor aprendizaje.

Aun cuando sabemos que las sustancias qumicas componen todo lo que conocemos, a veces es difcil localizar y extraer de nues-tro entorno los conceptos que necesitamos ensear. Hay ciertos

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temas relacionados con la qumica que son ms cercanos a la so-ciedad en general y a los estudiantes; nosotros los podemos utilizar como puerta de entrada para involucrar a los alumnos y posterior-mente ensearles conceptos que pueden parecer ms complicados o ajenos pero que son igualmente necesarios para formar en nues-tros estudiantes una nocin qumica del mundo. Es decir, podemos elegir temas que nos sirvan de ancla para elaborar otros conceptos que resultan mucho ms arduos si se ensean de forma separada.

Simultneamente, mediante la eleccin de temas cientficos con relevancia social, podemos utilizar nuestros cursos para que los estu-diantes egresen con algo ms que conocimiento de conceptos aisla-dos: que sean capaces de entender problemticas y de generar opinio-nes informadas acerca de su entorno y del mundo que compartimos.

En esta estrategia didctica, intento poner en prctica esta idea que acabo de plantear: elegir un tema relacionado con la qumi-ca, pero que adems cuente con relevancia social para usarlo como ancla o luz para ir elaborando otros temas qumicos que podran percibirse como ms ajenos. Propongo utilizar como hilo conduc-tor un tema de gran actualidad y de enorme importancia: el efecto del dixido de carbono en la acidez del mar y en la vida marina como parte de los efectos antropognicos del cambio climtico y ambiental.

Para entender este fenmeno, es necesario comprender y uti-lizar conceptos qumicos tales como el agua y sus propiedades fsi-cas y qumicas, la acidez, la alcalinidad y el pH en disoluciones acuo-sas, as como el equilibrio qumico. Mi propuesta es que enseemos estos temas como parte de un proceso de construccin de cono-cimiento, en el que los alumnos puedan apreciar la relevancia de ciertos conceptos que de otra manera se percibiran como ajenos y aislados, ya que son peldaos para la comprensin de un tpico ms cercano a sus realidades. De esta manera, conceptos que suelen ser de difcil comprensin como son pH y equilibrio qumico, cobrarn una importancia para el alumno, promoviendo su inters y facilitan-do su aprendizaje.

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Los tres conceptos elegidos que dan ttulo a esta estrategia, agua, pH y equilibrio qumico, sern eslabones para comprender el fenmeno de acidificacin de los ocanos por el CO2 liberado por las actividades humanas, pero a su vez, son conceptos bsicos para el estudio de la qumica. Se trata de conceptos que se utilizarn ms adelante para comprender otros temas, por lo que es muy impor-tante que los estudiantes los aprendan, los hagan suyos y sean ca-paces de detectarlos y reconocer su relevancia en el mundo que los rodea.

El tema del agua es por s mismo un tema de enorme y vital importancia. El agua es la fuente de la vida y es la sustancia qumi-ca con la que tenemos ms contacto, sin embargo, no la valoramos como la nica y especial que es. Es necesario observarla desde el punto de vista qumico, comprender su composicin y su estruc-tura para entender lo singular de sus caractersticas y cmo stas han permitido la aparicin y el desarrollo de la vida como la conoce-mos. Relacionados tambin con su peculiar comportamiento qumi-co molecular, surgen otros fenmenos como la acidez y la basicidad de las disoluciones acuosas, as como el concepto de pH.

El concepto de pH es a veces mal recibido y mal comprendido por los estudiantes por ser un trmino matemtico, pero si enten-demos toda la qumica que hay detrs de l podemos maravillarnos con la gran diferencia de propiedades que tienen distintas disolucio-nes acuosas solamente variando la concentracin de iones hidronio e hidroxilo presentes en ella. Podemos invitar a la reflexin sobre todos los aspectos de nuestra vida en que las disoluciones cidas o bsicas estn presentes y tambin, muy importante, cmo sus-tancias que en principio nos parecen inocuas como el CO2 pueden alterar la acidez de las disoluciones acuosas ms extendidas que conocemos, los ocanos, debido a los equilibrios qumicos en los que participa.

Esto nos lleva al tercer tema que se tratar en esta estrategia: el equilibrio qumico. Personalmente, yo no creo que haya un tema ms importante que ste en la asignatura de qumica. Entender el equilibrio qumico es ver con nuevos ojos todo lo que nos rodea,

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implica ver a los compuestos qumicos y a sus reacciones como sis-temas no estticos, que estn en continuo movimiento y evolucin. Si enseamos a los alumnos los temas de las constantes de equi-librio y acidez, la interpretacin de las constantes de equilibrio y el principio de Le Chatelier, aplicados a un sistema tan familiar como es el ocano, y les mostramos las reacciones qumicas que estn sucediendo a cada instante en estas enormes disoluciones acuosas, podemos lograr que se den cuenta de las enormes implicaciones que tienen estos temas en nuestro entorno.

Con esta estrategia quiero invitarlos a ustedes, profesores de qumica, a despertar la curiosidad y el pensamiento crtico de nuestros alumnos. Mostrmosles a nuestros estudiantes la qumica que est a su alrededor, hagmosles pensar en esta ciencia como el estudio de fenmenos que estn ocurriendo a cada momento. Presentmosles a las sustancias qumicas como los danzantes de un gran baile que no para, un enorme equilibrio dinmico que mol-dea en todo instante el entorno en el que vivimos. Invitmoslos a que entiendan las implicaciones de nuestros actos, como la quema de combustibles fsiles y la liberacin de CO2 hacia la atmsfera, en sistemas tan enormes y milenarios como los ocanos, a que des-cubran de qu formas estamos afectando sus equilibrios naturales. Despertemos su curiosidad descubrindoles lo fascinante que pue-de ser entender qumicamente lo que sucede a nuestro alrededor.

Papel del docente

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Los maestros de qumica nos enfrentamos a un panorama compli-cado por todos los prejuicios, generalmente negativos, que se tie-nen de esta ciencia; sin embargo, podemos ver nuestra labor docen-te como una oportunidad para superar esos prejuicios y promover en los estudiantes nuevas concepciones de lo que es la qumica y de cmo podemos encontrarla en todo lo que nos rodea. Los alumnos pueden descubrir, mediante nuestra gua, que los procesos qumi-cos no suceden solamente en un laboratorio, con matraces llenos de soluciones coloridas y humeantes, sino que estn sucediendo con-tinuamente a nuestro alrededor y que la ciencia llamada qumica lo que intenta es explicar todos esos procesos mediante modelos, para comprender mejor el mundo y eventualmente poder tambin manipular procesos para adecuarlos a nuestras necesidades.

La qumica no es una ciencia aislada. La divisin de las ciencias naturales en fsica, qumica y biologa es una separacin hecha por los humanos para diferenciar mejor unos procesos de otros y po-der estudiarlos con mayor facilidad, pero en realidad en la natura-leza no existe tal distincin: todos los principios fsicos, qumicos y biolgicos estn integrados y dan forma a nuestro entorno. Como profesores podemos utilizar esta interrelacin para hacer nuestro contenido ms significativo. Si enseamos las implicaciones de los principios de la qumica en los sistemas biolgicos, es probable que el aprendizaje resulte mucho ms interesante a los estudiantes. De igual manera, si les mostramos cmo la naturaleza qumica de una sustancia influye en su comportamiento fsico, enfatizaremos la re-levancia de comprender la naturaleza qumica de las cosas y entu-siasmaremos a los estudiantes a entender mejor los modelos qumi-cos para explicarse su entorno.

Nosotros como profesores debemos transmitir a nuestros alumnos los modelos que constituyen la ciencia que conocemos como qumica, pero ms importante an, debemos lograr que nues-tros estudiantes ejerciten su pensamiento crtico y cientfico. Este pensamiento cientfico parte de la observacin, contina con el cuestionamiento de lo observado, el anlisis crtico de ello y termi-na con la construccin de modelos que lo explican. Es importante

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que este proceso de pensamiento se lleve a cabo en cada uno de nuestros estudiantes y que nosotros seamos sus guas. El proceso de aprendizaje y generacin de conocimiento en los estudiantes re-quiere tiempo y esfuerzo. Nosotros debemos facilitar y fomentar este proceso estando cerca de nuestros alumnos, escuchndolos, preguntando y generando discusiones dentro del grupo. Las activi-dades y prcticas de laboratorio son herramientas que tenemos a nuestro favor para generar la reflexin de nuestros alumnos y acer-carlos a la qumica y al pensamiento cientfico.

Para guiar a nuestros estudiantes, es muy importante que los profesores nos sintamos cmodos con los temas que vamos a en-sear. Dominar los contenidos nos da confianza y nos permite com-partir el conocimiento y guiar a los alumnos de mejor manera. En esta estrategia didctica ofrezco una presentacin terica con el contenido bsico que debemos conocer para transmitirlo a los es-tudiantes. Naturalmente, cada uno de ustedes tiene una formacin distinta, lo cual enriquecer el contenido de sus clases. Es importan-te reconocer que dentro del aula, todos, tanto nosotros los profeso-res como los estudiantes, aportamos cosas distintas dependiendo de quines somos y de nuestra formacin previa, por lo que nunca habr un curso igual que otro. Debemos estar siempre atentos a las inquietudes particulares de cada grupo, pues reconocerlas nos per-mitir manejarlas a nuestro favor y aprovecharlas para desarrollar nuestros contenidos de forma ms significativa para nuestros estu-diantes.

Como guas de nuestros alumnos en este viaje de aprendizaje, es fundamental tambin que sirvamos como fuente de motivacin. No slo tenemos que compartir el contenido que conocemos, sino tambin el inters por ese contenido, la motivacin para estudiar-lo y comprenderlo. Este punto es tan importante como el anterior, pues sin motivacin es muy difcil promover el pensamiento en los estudiantes. Debemos contagiar a los alumnos con nuestro gusto por la qumica, para lo cual es necesario que nosotros mismos sin-tamos o re-encontremos esa pasin por comprender el mundo, por explicarnos lo que sucede a nuestro alrededor de forma crtica y

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cuestionadora, y por la qumica en particular. Si logramos transmitir nuestro propio entusiasmo, los estudiantes podrn ver con nuevos ojos los temas que queremos transmitirles y la clase ser mucho ms efectiva y tambin mucho ms disfrutable.

Finalmente, como profesores de ciencias, tenemos que ayudar tambin en la generacin de alumnos ms cuestionadores y de una sociedad ms crtica. Vivimos en un mundo regido por preceptos cientficos, se utiliza a la ciencia y sus mtodos para dar validez a una infinidad de procesos y toma de decisiones, pero como socie-dad tenemos que ser capaces de distinguir lo que es cientficamente vlido y lo que no. Esta no es una tarea fcil, pero es fundamental nuestra incidencia para crear una sociedad civil ms informada y crtica. Es necesario que discutamos los argumentos cientficos de los temas de relevancia social con nuestros alumnos, que les ense-emos a cuestionarse todo y a no creer nada sin pensarlo por ellos mismos, que les proporcionemos herramientas para saber buscar informacin objetiva y que los motivemos a ser partcipes de los de-bates sociales, a tomar decisiones informadas y a defenderlas.

Nuestra labor como docentes, entonces, va mucho ms all de la simple transmisin de conocimientos: debemos ser guas para ensear a los alumnos a pensar y a cuestionar, a ser crticos siem-pre, no slo en los temas cientficos sino en todos los aspectos de sus vidas; debemos ser fuente de motivacin para que los alumnos tengan entusiasmo para llevar a cabo su proceso de aprendizaje; y debemos ser tambin el eslabn entre ellos y la sociedad, para que los temas que les enseamos en el aula les sean tiles para partici-par activamente en la toma de decisiones y en los debates sociales de ms relevancia.

La estrategia didctica que propongo aqu no pretende ser una gua rgida para el desarrollo de sus clases, sino una herramienta para ustedes, para que la incorporen a sus experiencias de forma que enriquezca sus prcticas en el aula. Como cada profesor es distinto y cada grupo de estudiantes tambin, no habr nunca una clase igual que otra, pero espero que contar con un conjunto de herramientas didcticas pueda darles nuevas ideas y la seguridad

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para llevarlas a cabo. Espero que ustedes disfruten enseando a sus alumnos estos temas, que los alumnos encuentren la relevancia en los temas que aprenden y que juntos consigamos formar a una so-ciedad ms crtica y responsable.

Presentacin terica

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A continuacin desarrollar los conceptos con los que trabajaremos en esta estrategia didctica. Se trata de los conocimientos bsicos necesarios para trabajar en el aula con los estudiantes y que, espe-remos, sean los que construyan al terminar nuestros cursos.

a. Agua

El agua es seguramente el compuesto qumico ms comn para to-dos nosotros; es parte de nuestra vida diaria: la bebemos, la vemos caer, nos baamos en ella, lavamos con ella e incluso sabemos que es el componente mayoritario de nuestros cuerpos y nuestra Tierra. Sin embargo, quizs por esta misma razn, es probablemente tam-bin el compuesto menos apreciado. Las propiedades del agua son verdaderamente nicas en comparacin con todas las otras sustan-cias qumicas presentes en nuestro planeta y es necesario que la es-tudiemos con nuevos ojos para comprender mejor a esta sustancia tan comn como extraordinaria.

En el universo, la molcula del agua es la segunda ms abun-dante (la primera es el hidrgeno H2); en nuestro planeta, el 70% de la superficie est cubierta por este lquido; y nuestro organismo est compuesto entre un 65 y un 75% por ella. El agua es, evidente-mente, una molcula vital y son sus caractersticas fsicas y qumi-cas tan particulares las que han permitido que se desarrolle la vida como la conocemos.

El agua es una molcula compuesta por tres tomos: dos to-mos de hidrgeno y uno de oxgeno, por lo que su frmula molecular es H2O. Podra parecer una sustancia simple, pero en realidad escon-de una gran complejidad. En una molcula de agua, el oxgeno est unido por un enlace covalente a cada uno de los dos tomos de hidrgeno y stos se acomodan dando a la molcula una forma de V.

Entender la razn por la que el agua adquiere esta geometra en V es fundamental. Lo ms natural sera pensar que tres tomos se acomodaran en una estructura lineal H-O-H para minimizar la

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repulsin entre los electrones de cada uno de los enlaces H-O. Esto sera as si no considerramos la presencia de pares electrnicos li-bres en el tomo de oxgeno. En realidad, alrededor del oxgeno del agua hay 8 electrones de valencia o, lo que es lo mismo, 4 pares electrnicos: dos pares electrnicos compartidos localizados en los enlaces covalentes con los hidrgenos y dos pares ms no compar-tidos o libres, provenientes de la configuracin electrnica del oxge-no. El oxgeno tiende a acomodar sus electrones de forma que estn lo ms separados los unos de los otros para minimizar la repulsin entre ellos. Si consideramos el espacio tridimensional alrededor del oxgeno, la forma ms eficiente para colocar cuatro pares electrni-cos es en los vrtices de un tetraedro (Figura 1).

Figura 1Geometra y distribucin de cargas en una molcula de agua

As, cada uno de los hidrgenos y cada uno de los pares electr-nicos se coloca en uno de los vrtices de un tetraedro imaginario alrededor del oxgeno. Esto provoca, adems de la geometra en V que conocemos, que los dos tomos de hidrgeno queden coloca-dos de un lado de la molcula mientras que los pares electrnicos queden ubicados del lado opuesto; efecto que, aunado a las diferen-tes electronegatividades de los tomos involucrados, genera una

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distribucin de carga asimtrica debido a que los electrones tie-nen carga negativa mientras que los tomos de hidrgeno tienen una deficiencia de electrones dando lugar a una densidad de carga positiva (Figura 1). A las molculas que tienen una distribucin de carga asimtrica, se les llama compuestos polares (debido a que cuentan con polos de carga elctrica) y la molcula de agua es un compuesto sumamente polar, mucho ms que los otros solven-tes comunes que conocemos.

La geometra y la polaridad de las molculas del agua, son las responsables de todas las dems propiedades, tanto microscpicas como macroscpicas, de esta sustancia. La primera de las implica-ciones de estas caractersticas, y quizs la ms importante, es que permiten que las molculas de agua sean perfectas para for-mar puentes de hidrgeno.

Un puente de hidrgeno es un tipo de interaccin intermole-cular (es decir, entre molculas) en la que dos tomos con densidad de carga negativa interaccionan a travs de un tomo de hidrgeno con densidad de carga positiva. En una interaccin de este tipo en-tre dos molculas de agua, el hidrgeno, que acta de puente, est enlazado covalentemente a uno de los tomos de oxgeno y elec-trostticamente al otro. Debido a la estructura de la molcula de agua, cada molcula participa de manera simultnea en puentes de hidrgeno con varias molculas de agua, formando una intrincada red de interacciones (ver Figura 3).

No slo las molculas de agua experimentan interacciones in-termoleculares; en todas las sustancias lquidas y slidas las mol-culas se relacionan unas con otras por medio de interacciones d-biles llamadas fuerzas de Van der Waals. La diferencia es que la energa asociada a los puentes de hidrgeno en el agua es sig-nificativamente mayor que la asociada a las interacciones que ocurren entre las molculas de otros disolventes menos pola-res como la acetona, el ter, el cloroformo o el aceite. Esta caracte-rstica de las molculas de agua de atraerse unas a otras por sus fuertes interacciones se llama cohesin y es tambin de vital im-portancia.

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Marco terico

En una sustancia, las fuerzas intermoleculares y la estructura electrnica de sus molculas, es decir sus caractersticas micros-cpicas, tienen manifestaciones macroscpicas que se refle-jan en sus propiedades fsicas. En el caso del agua, su capacidad de formar puentes de hidrgeno (una de las fuerzas intermolecu-lares ms intensas) le da propiedades fsicas observables muy es-peciales, que conocemos de nuestro da a da pero que fallamos en identificar como lo nicas e inusuales que son.

Una manifestacin macroscpica muy clara de las fuerzas in-termoleculares es la tensin superficial, que se refiere, como su nombre lo indica, a la tensin que se produce en la superficie de un lquido. Las molculas que se encuentran en la interfaz entre un l-quido y el aire a su alrededor no tienen posibilidad de formar la mis-ma cantidad de interacciones intermoleculares que una molcula en el seno del lquido; esto genera una desigualdad de fuerzas, pues las molculas en la superficie sienten ms fuerza de atraccin hacia el seno del lquido que hacia el aire debido a que con las molculas del lquido interacciona y con el gas no. Este desbalance de fuerzas provoca que la superficie tienda a reducirse al mnimo para as mi-nimizar el nmero de molculas en la superficie con fuerzas desba-lanceadas (Figura 2).

La magnitud de la tensin superficial es una manifestacin di-recta de las fuerzas intermoleculares actuando dentro del lquido: es un indicador de qu tanto las molculas del seno del lquido es-tn jalando a las molculas de la interfaz para reducir la superficie, as que su comparacin nos puede dar una idea de qu tan intensas son las fuerzas que mantienen unidas a las molculas en un lquido. La tensin superficial del agua es la mayor conocida para cual-quier lquido no-metalico, despus solamente del mercurio l-quido. Su valor es de 72 mN/m (milinewtons por metro) mientras que, por ejemplo, la del etanol es de 22.4 mN/m. Esto nos habla de lo intensas que son las interacciones por puentes de hidrge-no en el agua, pero tambin de lo abundantes que son, ya que el etanol tambin puede formar puentes de hidrgeno, pero por su tamao y su estructura, forma muchos menos que el agua.

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Otra caracterstica observable de las sustancias en las que se refleja el arreglo microscpico de sus molculas est dada por las propie-dades de sus distintos estados de agregacin. La red de interac-ciones intermoleculares de cualquier sustancia es distinta en sus distintos estados de agregacin (slido, lquido y gaseo-so), pero lo que sucede con el agua es realmente inusual. Para com-prenderlo podemos comparar el proceso de cambio de estado de un compuesto genrico (aceite, acetona, etanol, metanol, etc.) y el del agua.

Pensemos en lo que ocurre normalmente cuando una sustancia cualquiera cambia de estado al variar la temperatura. Empecemos con un slido que tiene forma y volumen fijos. En este estado las molculas estn acomodadas de manera rgida y regular, con gran interaccin entre ellas, creando generalmente estructuras densas y empaquetadas. Al aumentar la temperatura, se les da ms energa a las molculas, que empiezan a moverse y a perder su estructu-

Figura 2El desbalance de fuerzas en la superficie del agua

genera tensin superficial

Aire

Lquido = Molculas de lquido = Fuerzas de atraccin

Molculas de lquidoFuerzas de atraccin

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ra rgida; siguen interactuando entre ellas aunque las interacciones son menores, y la sustancia pasa al estado lquido, que tiene volu-men constante pero no forma fija y normalmente disminuye su den-sidad pues las molculas no estn tan unidas por sus interacciones. Finalmente, si seguimos dando energa al sistema, las molculas se mueven cada vez ms y de forma desordenada, las interacciones entre ellas son cada vez menores y tienden a ocupar todo el espa-cio disponible, la sustancia pasa al estado gaseoso sin forma ni vo-lumen fijo.

Ahora apliquemos este proceso al agua, recordando que la for-ma en que interaccionan las molculas de agua es formando puen-tes de hidrgeno. En estado slido las molculas estn acomo-dadas formando puentes de hidrgeno fijos, cada tomo de ox-geno participa en 4 puentes de hidrgeno (dos como aceptor y dos como donador del tomo de hidrgeno que forma el puente) orientados en las direcciones de los vrtices de un tetraedro gene-rando un arreglo hexagonal tridimensional. Este arreglo, gracias a los puentes de hidrgeno y a la forma en V de las molculas de agua, es un arreglo que deja muchos espacios vacos, de hecho sola-mente alrededor de un tercio del espacio disponible est ocupado por un tomo de oxgeno o hidrgeno, por lo que la sustancia ocupa un gran volumen y se genera un slido de baja densidad.

Al dar energa al sistema y cambiar su estado de agregacin de slido a lquido, se destruyen aproximadamente el 15% de los puentes de hidrgeno, el agua pierde su estructura rgida y desaparecen los hexgonos existentes a nivel molecular en el hie-lo, la cantidad de espacios vacos disminuye, con lo que el agua lquida es ms densa que el hielo, pues las molculas ocupan un 9% menos de espacio en el agua lquida que en el hielo (recordemos que la densidad se refiere a la cantidad de materia por unidad de volumen). Esta es una propiedad nica del agua. Si seguimos dando energa al sistema hasta conseguir la transicin de agua lquida a vapor de agua, se rompen finalmente todos los puentes de hidrge-no entre las molculas y stas se alejan unas de otras como sucede

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con cualquier gas. En la Figura 3 se puede observar un esquema sim-plificado de los cambios que suceden a nivel molecular al cambiar el agua de estado de agregacin.

El hecho de que el hielo (slido) sea menos denso que el agua (lquida) debido a los puentes de hidrgeno rgidos generados en l, es una caracterstica nica del agua y ms adelante detallaremos las implicaciones vitales de esta propiedad.

Figura 3Interacciones entre molculas de agua

en sus tres estados de agregacin

Hasta ahora consideramos cualitativamente lo que sucede cuando le damos energa al agua y a otras sustancias para cambiar de es-tado de agregacin, pero el efecto de la magnitud de las interaccio-nes intermoleculares se puede apreciar tambin en la cantidad de energa que se les tiene que dar para: a) conseguir que cambien su estado de agregacin y b) aumentar su temperatura.

Una medida indirecta de la cantidad de energa que se le debe dar a un sistema para que pase de estado slido a estado lquido es el punto de fusin. Imaginemos que tenemos acetona, agua y ter a -200C, a esta temperatura estn todos en estado slido. Comenzamos a calentarlos, los llevamos a todos a una tempera-tura de -100C, ahora tenemos al agua y a la acetona en su forma

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slida pero el ter cambi de estado y es lquido. Esto lo sabemos porque conocemos su punto de fusin (Tabla 1) que es -116C (es decir que se funde a partir de esta temperatura). Seguimos calen-tando hasta llegar a -50C, en este punto el agua sigue congelada, pero tanto el ter como la acetona son lquidos. Esto nos indica que el ter necesita menos energa para cambiar de estado, despus la acetona y finalmente el agua, que necesita mucha ms que los dos anteriores. Esto se debe, de nuevo, a que el agua slida est formando una red tan extensa de puentes de hidrgeno que hay que darle mucha energa para romperlos, mientras que los otros disolventes se mantienen unidos por fuerzas intermole-culares menos fuertes (dipolo-dipolo sin puente de hidrgeno) y requieren menos energa para separar sus molculas. Lo mis-mo puede observarse considerando los puntos de ebullicin: el agua tiene uno de los mayores puntos de ebullicin si lo comparamos con otros disolventes (Tabla 1).

Es muy importante recalcar que las temperaturas de fusin y ebullicin slo pueden usarse como observaciones indirectas de la magnitud de las fuerzas intermoleculares, pues tambin dependen de otros factores relevantes como el tamao de las molculas de cada sustancia. En este sentido, tambin es til comparar al agua con molculas de tamao o masa similares, por ejemplo, el meta-no que tiene una masa molecular de 16 g/mol (la del agua es 18 g/mol) y que es un gas a temperatura ambiente (tiene un punto de fu-sin de -182 C y de ebullicin de -161.5 C). El metano es una mo-lcula completamente no-polar y muy pequea, que necesita muy poca energa para romper sus fuerzas intermoleculares (dipolo ins-tantneo-dipolo inducido) y pasar a su estado gaseoso. Si el agua no pudiera formar puentes de hidrgeno, probablemente se-ra tambin gas a temperatura ambiente y no habra permiti-do el surgimiento de la vida que conocemos.

Otra medida importante relacionada con la cantidad de energa que requieren los distintos sistemas para ser alterados es la capa-cidad calorfica. sta se define como la cantidad de energa que se le debe dar a un compuesto para aumentar un grado centgrado su

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temperatura. La temperatura es una manifestacin del movimiento (energa cintica) de las molculas en una sustancia, por lo que la capacidad calorfica nos habla de cunta energa se requiere para mover las molculas de un sistema de forma que sus cho-ques se manifiesten en un aumento de un grado centgrado en la temperatura de un gramo de sustancia. En la Tabla 1 tenemos una serie de valores de capacidad calorfica para distintos lquidos a temperatura ambiente (las unidades son Joules por gramo por gra-do Kelvin, los Joules son unidades de energa). Se puede notar que la capacidad calorfica del agua es mucho mayor que la de otros lquidos a temperatura ambiente, debido a que una buena parte de la energa que se suministra al sistema no se manifiesta en el mo-vimiento de las molculas de agua sino que se emplea en la ruptura y formacin de puentes de hidrgeno. Esta propiedad tambin tie-ne aplicaciones importantes que discutiremos ms adelante.

Tabla 1Propiedades fsicas de distintos solventes

SustanciaMasa molar

(g/mol)

Polaridad relativa

Punto de ebulli-cin (C)

Punto de fusin

(C)

Capacidad calorfica (J/g*K)

Agualquida 18.02 1 100 0 4.18

Etanol 95% 46.07 0.654 78.5 -117.3 2.44

Metanol 32.04 0.762 65.2 -93.9 2.14

Acetona 58.08 0.355 56.2 -95.4 2.18

Cloroformo 119.38 0.259 61.7 -63.5 0.96

ter etlico 74.12 0.117 34.5 -116.2 2.33

Benceno 78.11 0.111 80.1 5.5 1.74

cido actico 60.02 0.648 117.9 16.6 2.06

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Hasta ahora hemos revisado algunas propiedades fsicas suma-mente particulares del agua, derivadas de su tamao, su estructura en forma de V, su polaridad y su consiguiente capacidad de formar puentes de hidrgeno. Ahora veremos qu implicaciones tienen es-tas propiedades fsicas inusuales en la vida.

b. Efectos de las propiedades nicas del agua en la vida

I. Gran polaridad: el agua es el disolvente vital

El agua es conocida frecuentemente como el disolvente universal, esto nos da la falsa idea de que el agua puede disolver a cualquier otra sustancia, lo cual no es cierto en absoluto. Como todos sabe-mos, podemos baarnos, lavar nuestra ropa, nuestras casas sin co-rrer el riesgo de que el agua lo disuelva todo a su paso. Sin embar-go, lo cierto es que el agua puede disolver una gran cantidad de compuestos qumicos, y lo ms importante es que puede disolver los compuestos necesarios para la vida, lo cual permite que la ma-yora de los procesos biolgicos se lleven a cabo en disolucio-nes acuosas.

Las caractersticas del agua como disolvente se deben a su ele-vada polaridad. Esta polaridad le permite interaccionar con muchas molculas, sobre todo polares e inicas, como las diferentes sales y muchos compuestos orgnicos con funcionalidades polares. Otras sustancias muy importantes que pueden ser disueltas por el agua son los gases. El oxgeno (O2) y el dixido de carbono (CO2) se disuelven en el agua, lo cual es fundamental para la vida acuti-ca (de esta manera los animales y plantas acuticas adquieren sus nutrientes) y tambin para nuestra propia vida, pues es necesario poner en disolucin estos gases para despus transportarlos a las clulas que los necesitan o sacarlos del organismo.

Las interacciones del agua con sustancias no-polares tam-bin son muy importantes, pues aunque las molculas de agua no

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puedan interaccionar directamente con estos sustratos, las inte-racciones entre molculas de agua alrededor del sustrato generan una especie de jaula para las molculas no-polares (como lpidos y aceites) que les permite desplazar a estas molculas a la superficie o a otras zonas no-polares.

El agua, entonces, es el medio perfecto para que se lleven a cabo las reacciones qumicas necesarias para la vida, pues ofrece una fase homognea para que los reactivos se encuentren y para desechar los productos no deseados. La vida inici gracias a la forma-cin de un caldo primitivo acuoso, as que la vida como la conocemos est enteramente relacionada con el agua como el origen de todo.

En este sentido surge una pregunta existencial del tipo qu fue primero, el huevo o la gallina? La vida que conocemos, evidentemen-te, depende del agua, pero, es el agua necesaria para la vida, o es slo que no concebimos otra forma de vida porque slo conocemos la qumica del agua?

II. Cohesin, adhesin y capilaridad: el agua desafa la gravedad

Debido a las interacciones tan fuertes entre las molculas de agua mediante puentes de hidrgeno, stas se atraen entre ellas, en un proceso llamado cohesin; tambin, por su polaridad, atraen y se pegan a otras sustancias o materiales, proceso al que llamamos adhesin. El balance entre estas fuerzas permite al agua tener ac-cin capilar y subir, desafiando la gravedad, por tubos delga-dos. La adhesin del agua a las paredes del tubo genera una fuer-za ascendente que permite que el agua vaya trepando por tubos delgados. Esto slo sucede cuando las fuerzas de adhesin son ma-yores que las de fuerzas de cohesin entre molculas de agua, es decir, cuando el tubo es lo suficientemente delgado para que gran parte del agua est en contacto con las paredes.

Esto es fundamental, por ejemplo, para el transporte de nu-trientes en los rboles desde las races hasta las ramas ms altas.

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En ellas el agua, que contiene los nutrientes disueltos, entra a las races y empieza a subir por el tejido del rbol hasta llegar a las ho-jas. Este fenmeno tambin es importante para mantener el ojo hidratado continuamente; los lagrimales son pequeos tubitos y secretan continuamente agua al ojo por su accin capilar.

Todos hemos observado tambin la accin capilar en las plan-tas cuando, por ejemplo, vemos una rosa blanca teida de azul. Si se pone en agua con colorante azul, el agua teida sube a los ptalos por capilaridad hasta teir la flor.

Figura 4Flor blanca teida de azul por efecto capilar

III. Tensin superficial: pista para los insectos

La elevada tensin superficial del agua, reflejo de los abundantes e intensos puentes de hidrgeno presentes en ella, genera una super-ficie adecuada para que los insectos puedan caminar por el agua (y vivir sobre ella), pues su peso no es suficiente para romper la ten-sin en la superficie del agua. La tensin superficial, entonces, pro-vee de un medio nico para la vida de los insectos gerridae.

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IV. Diferentes densidades en sus distintos estadosde agregacin: el hielo flota en el agua

El hecho de que el hielo sea menos denso que el agua lquida, debido al arreglo de puentes de hidrgeno en ste y a los espacios vacos resultantes, es una ms de las propiedades nicas y sorprendentes del agua. En sistemas acuticos como ros, mares y lagos en lugares fros, esta situacin anmala es de vital importancia. Siendo menos denso, el hielo flota en el agua, dejando un espacio lquido bajo la superficie donde pueden vivir los animales marinos aun cuando las temperaturas del ambiente sean tan bajas como -60 C. De otra manera, los animales marinos moriran atrapados en un gran bloque de hielo.

Esto, aunado a que el valor mximo de densidad para el agua se alcanza a los 4 C, permite que los animales y plantas marinos puedan sobrevivir a muy bajas temperaturas medioambientales, ya que en los cuerpos marinos se crea una capa de hielo en la super-ficie, en contacto con agua fra entre 0 y 4 C y en el fondo se en-cuentra el agua a 4 C, temperatura suficiente para el desarrollo de la vida.

V. Elevada capacidad calorfica: el agua nos protegede cambios extremos de temperatura

La elevada capacidad calorfica del agua es una caracterstica extre-madamente nica y fundamental tanto para los sistemas pequeos (como las clulas), como para ecosistemas enteros. Los hechos de que el agua absorba una gran cantidad de calor antes de aumentar su temperatura, debido a que emplea la energa en romper puentes de hidrgeno, y de que el agua libere mucho calor antes de descen-der su temperatura, gracias a la formacin de nuevos puentes de hidrgeno entre sus molculas, permiten que el agua acte como regulador de la temperatura.

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En las clulas, el citoplasma est compuesto principalmente de agua, y esta tendencia del agua de cambiar muy lentamente de tem-peratura le permite proteger el contenido de las clulas de los cambios bruscos de temperatura. Lo mismo sucede con las gran-des masas de agua en las zonas costeras que, por su elevada capa-cidad calorfica, ayudan a moderar el clima, y a moderar el rango de temperaturas mximas y mnimas en comparacin con el clima continental que no tiene este moderador de temperaturas.

c. Auto-disociacin del agua

La ltima propiedad de agua que estudiaremos, y que es tambin muy especial, es que las molculas de agua pueden auto-disociar-se o auto-ionizarse. Se conoce como auto-ionizacin del agua el proceso en el que dos molculas de agua no slo interaccionan sino que reaccionan entre ellas para formar dos iones: un ion hidro-nio H3O

+ y un ion hidroxilo OH-:

2H2O g H3O+ + OH-

Estos iones a su vez son muy reactivos y pueden reaccionar entre ellos para formar de nuevo dos molculas de agua:

H3O+ + OH- g 2H2O

ste es un proceso continuo de ruptura y formacin de molculas de agua que est sucediendo constantemente en disolucin entre distintas molculas y que se puede escribir como una reaccin que est procediendo hacia ambos lados:

2 H2O H3O+ + OH-

Aun cuando el proceso de formacin de iones y re-formacin de molculas de agua es constante, siempre hay presentes en diso-

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lucin una cierta cantidad de iones hidroxilo e iones hidronio pues esta reaccin de auto-disociacin se encuentra en lo que conoce-mos como equilibro qumico. Ms adelante estudiaremos con ms detalle los modelos matemticos que describen una reaccin en equilibrio qumico, pero es importante tener en mente esta dan-za que est sucediendo continuamente entre las molculas de agua y los iones hidronio e hidroxilo.

Si midiramos la cantidad de iones presentes en una disolu-cin de agua pura, podramos notar que solamente una entre apro-ximadamente doscientos millones de molculas se encuentra en forma de iones disociados. Esto puede parecer como una pequea cantidad, pero considerando que en 18 mL de agua (un mol, dado que su masa molar es de 18 g/mol y su densidad es 1 g/mL) hay 6.023 x 1023 molculas de agua, una en cada doscientos millones no es tan despreciable. De hecho, si lo tomamos en forma de con-centracin molar, nos encontraramos que en agua pura esto im-plica una concentracin de iones hidronio de 1 x 10-7 M y como por cada ion hidronio en agua pura debe haber un ion hidroxilo, pues ambos son productos de la misma reaccin qumica, tambin me-diramos una concentracin de 1 x 10-7 M de iones hidroxilo. Esta es una cantidad considerable de iones. De hecho, si se mide la con-ductividad elctrica (debida a los iones disueltos) del agua pura, se puede notar que su valor no es cero debido a que los iones hidronio e hidroxilo estn siempre presentes.

La reaccin del agua consigo misma forma parte de un tipo de reacciones muy especiales: las reacciones cido-base. Para enten-der por qu clasificamos la auto-ionizacin del agua en esta clase de reacciones, es importante definir qu es un cido y qu es una base.

d. Conceptos cido y base

La historia de los conceptos cido y base (o lcali) es una larga historia. Estudiarla nos permite rastrear el desarrollo de la qumica

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como ciencia y comprender cmo ha ido avanzando la complejidad de los modelos qumicos que utilizamos.

Los cidos han estado siempre presentes en nuestras vidas, pues muchos se encuentran en la naturaleza, como el cido fr-mico en las hormigas, el cido ctrico en una variedad de frutas, el cido actico en el vinagre, el cido tartrico en el vino, el cido mlico en frutas como la manzana, el cido clorhdrico en nuestros estmagos y muchos ms. Las bases o lcalis tambin han esta-do siempre presentes y desde la antigedad se detectaron tres tipos: la potasa que resultaba de las cenizas de la madera, la cal resultante de quemar conchas (probablemente despus de hacer fogatas en la playa) y el bicarbonato de sodio que resultaba de la evaporacin de ciertas aguas.

Los griegos y los egipcios distinguieron entre estas dos clases de sustancias y las clasificaron segn sus percepciones senso-riales: los cidos eran aquellos con sabor cido, mientras que los lcalis eran aquellos con textura viscosa o jabonosa (el trmino l-cali se emple despus y provena del rabe al-qaly que significa las-cenizas).

El avance cientfico en Occidente fue prcticamente nulo du-rante algunos siglos, hasta que en el siglo XV y principios del siglo XVI se comenzaron a descubrir ms propiedades de estas sustan-cias de sabor cido y de aquellas de textura jabonosa. Primero, los alquimistas notaron que los cidos son capaces de disolver me-tales como la plata (conocimiento muy til para separar aleacio-nes); las personas que trabajaban con colorantes para telas encon-traron que los cidos cambian algunos tintes a colores rojos intensos, mientras que las bases los cambian a colores azules, y, finalmente, en 1658, el farmacutico Johann Rudolph Glauber en-contr que los cidos y las bases reaccionan entre ellos gene-rando efervescencia y produciendo una nueva sustancia lla-mada sal.

Hasta este momento, las observaciones de las caractersticas de los cidos y las bases eran aisladas, pero fue en el siglo XVII que Robert Boyle realiz la primera descripcin sistemtica de los

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cidos, reuniendo todas las caractersticas observadas previamente:a) Los cidos disuelven muchas sustanciasb) Cambian a color rojo intenso algunos pigmentosc) Pierden sus propiedades al mezclarlos con bases

En el siglo XVIII cuando se empezaba a reconocer la existencia de ele-mentos qumicos, se plante el primer modelo que distingua a los cidos y las bases segn su composicin qumica. Lavoisier (1743-1794) fue el primero en proponer un modelo en el que especifi-caba que la presencia de oxgeno era lo que defina a los cidos. Davy (1778-1829) demostr que muchos cidos no cuentan con oxgeno y fue finalmente Liebig (1803-1873) quien estableci que la presencia de hidrgeno es lo que daba acidez a las sustancias. Pero existiendo tantas sustancias con hidrgeno en sus composiciones que no son ci-das, faltaba algo para formular un modelo ms adecuado de la acidez.

Arrhenius (1859-1927) plante su teora (modelo) de acidez y basicidad estableciendo el concepto de disociacin inica lo cual represent un gran parteaguas para esta ciencia. l denomin elec-trolitos a todas las sustancias que conducen la electricidad en so-lucin acuosa, y explic el fenmeno de conduccin postulando que estas sustancias parten sus componentes en corpsculos cargados elctricamente, llamados iones. Defini los cidos como las sus-tancias que en disolucin acuosa se disocian en iones H+ (H3O

+) ms un anin y las bases como las sustancias que en disolucin generan iones OH- ms un catin; finalmente, las sales son aque-llas que tambin se disocian pero slo dan un anin y un catin, no iones hidroxilo o hidrxido (que son los responsables de la acidez y la basicidad segn este modelo).

Esta teora tambin puede explicar lo que sucede al hacer reac-cionar un cido con una base y la observacin de que cuando esto sucede, estas sustancias pierden sus propiedades. Si el ion H+ es el responsable de la acidez y el ion OH- de la basicidad, cuando reac-cionan slo pueden formar agua:

H+ + OH- g H2O

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Y si consideramos su reaccin global, incluyendo a sus contra-iones, el otro producto que resulta de esta reaccin es una sal:

H+ + A- + OH-+ M+ g H2O + A- + M+

cido base agua sal

As, este modelo lograba explicar lo observado en disoluciones acuosas hasta ese momento. Sin embargo, pronto comenzaron a detectarse algunos fenmenos que no lograba explicar: I) la exis-tencia de reacciones cido-base ocurriendo en sistemas no acuo-sos, como amoniaco, y II) el hecho de que muchas sustancias tenan comportamiento bsico pero no contaban con iones OH- para donar. El modelo de Arrhenius, que explicaba muchas observaciones pero no todas, tena que expandirse para explicar estos otros fenmenos.

Para superar las limitaciones del modelo de Arrhenius, los qu-micos Brnsted y Lowry, paralelamente, propusieron en 1923 un nuevo modelo cido-base. En ste, definieron a un cido como una sustancia capaz de ceder iones H+ y a una base como aquella capaz de recibir iones H+. Este nuevo modelo, incluye a todas las sustancias definidas como cidos y bases en el modelo de Arrhenius pero incluye otras nuevas como el amoniaco que puede actuar como base y el amonio que acta como cido.

En esta teora se plantearon nuevos conceptos que son cru-ciales para entender la qumica cido-base: los cidos y las bases conjugadas. Cuando un cido cede un protn, genera un anin que tiene la capacidad de reaccionar de nuevo con un protn para rege-nerar el cido. A este anin se le conoce como base conjugada del cido. Algo anlogo sucede con las bases: al recibir un protn gene-ran una nueva especie que es el cido conjugado de la base y que es capaz a su vez de donar el protn para regenerar la base.

HCl + H2O g Cl + H3O

+

cido-1 base-2 base-1 cido-2

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De esta reaccin, por ejemplo, podemos leer que el cloruro es la base conjugada del cido clorhdrico y el ion hidronio es el cido con-jugado del agua. Tambin, con este modelo, puede compararse la fuerza de los cidos y las bases. Esta reaccin se desplaza ha-cia la derecha, esto implica que el cido clorhdrico es un cido ms fuerte que el ion hidronio porque es mejor en donar su protn. Por otro lado, el agua es una base ms fuerte que el ion cloruro pues es ms apta para recibir un protn que el cloruro. As podemos ver que mientras ms fuerte es un cido, ms dbil es su base conju-gada y viceversa.

Hay un tercer modelo cido-base propuesto por Lewis, que engloba a los dos anteriores pero considera a nuevas especies como cidos y bases. Este modelo est basado en la capacidad de do-nar o recibir electrones, pero no lo describir en detalle pues el modelo de Brnsted-Lowry es suficiente para los fines de esta es-trategia. Este modelo puede discutirse cuando se revise la estructu-ra electrnica y los modelos de enlace.

e. pH

Ahora que comprendemos a qu nos referimos cuando hablamos de cidos, bases y sus reacciones, no es difcil comprender por qu la reaccin de auto ionizacin del agua es una reaccin cido-base. El agua, segn el modelo de Brnsted-Lowry es un anftero: pue-de actuar como cido y como base pues es capaz de aceptar y donar protones, as que la reaccin entre dos molculas de agua es una reaccin entre un cido y una base:

H2O + H2O OH + H3O

+

cido-1 base-2 base-1 cido-2

Como ya discutimos, esta reaccin est en equilibrio qumico. Esto se denota en una ecuacin qumica usando una doble flecha: una flecha que va de reactivos a productos sobre otra flecha que va de productos a reactivos ( ), pues el estado de equilibrio implica

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que una reaccin est procediendo en ambos sentidos. Que una reaccin est en equilibrio implica, adems, que hay un valor cons-tante que relaciona las concentraciones de sus reactivos y sus pro-ductos. Ms adelante estudiaremos el tema de equilibrio qumico y particularmente el planteamiento de ecuaciones y constantes de equilibrio, por ahora basta decir que para la auto-ionizacin del agua hay un valor constante llamado Kw que se define como:

Kw = [H3O+] [OH-] = 1.0x10-14

Donde los corchetes [ ] representan la concentracin en la disolu-cin de la sustancia cuya frmula se expresa entre ellos. El valor de la constante Kw ha sido determinado experimentalmente.

Las implicaciones de esta simple relacin son cruciales para com-prender la qumica de los sistemas acuosos. Imaginemos que tene-mos un vaso con agua pura, en sta los iones OH- y H3O

+ provendrn de la auto-disociacin de agua, y como ambos iones se producen en la misma reaccin y en una proporcin 1:1, la concentracin de H3O

+ y de OH- son iguales.

Agua pura: [H3O+] = [OH-] =x

Kw = [H3O+] [OH-] = 1.0x10-14 = x2 x = 1.0x10-7 M

Por la relacin anterior, el valor de la concentracin tanto de iones hi-dronio como hidroxilo es de 1.0X10-7 M en agua completamente pura (donde M se refiere a concentracin molar).

Cuando adicionamos un cido a la disolucin, como el cido clorhdrico, este reaccionar con el agua para producir iones hidronio, mediante una reaccin cido-base donde el agua acta como la base:

HCl + H2O g Cl + H3O

+

En este caso, hay una cantidad importante de iones hidronio que se estn formando sin constituir simultneamente iones hidroxilo. Por

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lo que hay una concentracin mayor de iones hidronio que de iones hidroxilo.

Disolucin cida: [H3O+] > [OH-] [H3O

+] > 1.0x10-7 M

En una disolucin acuosa de una base, como amoniaco, lo opuesto suceder. El agua actuar como un cido y reaccionar con la base para formar iones hidroxilo, cuya concentracin ser mayor que la de los iones hidronio:

NH3 + H2O g OH + NH4

+

Disolucin bsica: [H3O+] < [OH-] [H3O

+] < 1.0x10-7 M

Entonces, en resumen:

Agua pura: [H3O+] = 1.0x10-7 M

Disolucin cida: [H3O+] > 1.0x10-7 M

Disolucin bsica: [H3O+] < 1.0x10-7 M

Debido a que trabajar con notacin cientfica y nmeros exponen-ciales no es muy prctico y puede ser confuso, se utiliza el concepto de pH para simplificar y se define de la siguiente manera:

pH = - log[H3O+]

pH es slo una notacin para trabajar con las concentraciones de iones hidronio sin las complicaciones de manejar exponenciales ne-gativos en todo momento. Tambin podramos trabajar con pOH que es el menos logaritmo de la concentracin de iones hidroxilo, pero lo ms comn es trabajar con pH y referirse a la concentracin de protones o iones hidronio. De cualquier manera, pH y pOH estn relacionados, como las concentraciones de H3O

+ y OH-, por la cons-tante de auto-disociacin del agua Kw.

Entonces, convirtiendo los valores de [H3O+] para el agua pura,

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disoluciones cidas y bsicas a valores de pH, encontramos que:

Agua pura: [H3O+] = 1.0x10-7 M pH = 7.0

Disolucin cida: [H3O+] > 1.0x10-7 M pH < 7.0

Disolucin bsica: [H3O+] < 1.0x10-7 M pH > 7.0

A mayor concentracin de iones hidronio, en una disolucin cida, el exponente negativo de la concentracin ser menor (0.001 = 1.0x10-3

> 0.0000001 = 1x10-7 por ejemplo) y el valor de pH ser menor. Lo contrario sucede en una disolucin bsica, la concentracin de iones hidronio es menor, el exponente negativo de la concentracin es mayor y el valor de pH es mayor. La escala de pH va desde el cero a 14 y en la Tabla 2 podemos ver una lista con ejemplos de sustan-cias de nuestra vida diaria y sus valores de pH.

La capacidad del agua de actuar como cido y como base, ge-nera todo un universo de posibles concentraciones de iones hidro-nio e hidroxilo, dependiendo de qu sustancia se disuelva en ella. La

Valor de pH

[H3O+]

(M)[H3O

+] relativa al agua pura Ejemplo

0 1.0 10 000 000 cido de batera1 1.0 x 10-1 1 000 000 Jugos gstricos2 1.0 x 10-2 100 000 Vinagre, jugo de limn3 1.0 x 10-3 10 000 Jugo de naranja, refrescos4 1.0 x 10-4 1 000 Jugo de tomate 5 1.0 x 10-5 100 Caf negro, pltanos, lluvia6 1.0 x 10-6 10 Orina, leche7 1.0 x 10-7 1 Agua pura8 1.0 x 10-8 0.1 Agua de mar, huevos9 1.0 x 10-9 0.01 Bicarbonato de sodio

10 1.0 x 10-10 0.001 Pasta de dientes11 1.0 x 10-11 0.000 1 Solucin de amoniaco12 1.0 x 10-12 0.000 01 Agua jabonosa13 1.0 x 10-13 0.000 001 Limpiador para hornos, leja

14 1.0 x 10-14 0.000 000 1 Limpiador lquido de drenajes

Tabla 2Escala de pH con los valores de concentracin de iones hidronio

as como ejemplos representativos para cada valor de pH

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concentracin de estos iones confiere a las disoluciones sus caractersticas cidas o bsicas y permite que existan solucio-nes con muy diversas propiedades.

Es interesante recalcar los valores de pH tan distintos que tie-nen sistemas tan comunes para nosotros como el agua de lluvia, el agua de mar y los refrescos; y lo que es an ms interesante es saber que los valores tan distintos de pH que tienen estos tres sis-temas vienen dados todos (en cierta medida) por las reacciones y los equilibrios del agua con distintas especies del mismo sistema qumico: los carbonatos. A continuacin estudiaremos el tema de equilibrio qumico utilizando el sistema de los carbonatos y sus re-acciones en agua, ya que es un tema de gran relevancia en nuestro planeta.

f. Equilibrio qumico

Las reacciones qumicas pueden dividirse en distintas clases, depen-diendo de lo que estemos intentando estudiar. Una de estas clasifi-caciones es que las reacciones pueden ser reversibles o irreversibles. Se les llama reacciones irreversibles a aquellas que se llevan a cabo hasta completarse, es decir, hasta que uno de los reacti-vos se consume completamente. Esto sucede, por ejemplo, con la reaccin de combustin del gas butano (que vemos diariamente en las estufas de gas):

2 C4H10 + 13 O2 g 8 CO2 + 10 H2O

Esta reaccin progresa, consumiendo oxgeno y butano, hasta que alguno de los reactivos se agota.

Lo contrario sucede con otras reacciones, que ocurren de manera limitada, en la que ninguno de los reactivos se consume por completo. Esto es lo que sucede, por ejemplo, con la reaccin de auto-ionizacin del agua. Esta reaccin no ocurre hasta que los reactivos se consumen, en cuyo caso se terminaran

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todas las molculas de agua y tendramos solamente iones hidronio e hidroxilo, sino que se encuentra en equilibrio. Este equilibrio se alcanza porque la reaccin est procediendo continuamente en ambas direcciones, as que a este tipo de reacciones se les conoce como reacciones reversibles y se utiliza la doble flecha para escribirlas:

H2O + H2O OH + H3O

+

Cuando una reaccin est en equilibrio, las molculas siguen reaccionando en ambas direcciones, pero las concentracio-nes de reactivos y productos no cambian ms con respecto al tiempo. Esto sucede dado que la velocidad de la reaccin di-recta (vd) es igual que la velocidad de la reaccin inversa (vi), lo cual significa que la velocidad de formacin de iones hidronio e hidroxilo es la misma que la velocidad de formacin de molculas de agua.

En realidad, todas las reacciones qumicas alcanzan en algn punto un equilibrio dinmico, pero en algunas reacciones (las llama-das irreversibles) es muy difcil detectar el equilibrio pues las con-centraciones de los reactivos en el equilibrio son prcticamente in-significantes.

Si medimos las concentraciones de reactivos y productos en una reaccin en equilibrio, posteriormente alteramos estas concen-traciones (agregando ms reactivos o ms productos), esperamos a que la reaccin vuelva al estado de equilibrio y volvemos a medir las concentraciones, encontraramos que, aunque los valores de las concentraciones sean distintos, una relacin entre ellas se mantiene constante. A esta relacin se le llama coeficiente de reaccin y su valor se conoce como constante de equilibrio. En una reaccin general:

aA + bB cC + dD

vi

vd

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Donde a, b, c, d son los coeficientes estequiomtricos de las sustan-cias A, B, C, D respectivamente. El coeficiente de reaccin se define como:

Keq= [C]c[D]d/[A]a[B]b

En resumen, si medimos las concentraciones de reactivos y produc-tos en una reaccin en equilibrio, la relacin que se mantiene cons-tante es el resultado de multiplicar las concentraciones de los productos, elevadas a sus respectivos coeficientes estequio-mtricos, dividido por la multiplicacin de las concentraciones de los reactivos, elevadas a sus respectivos coeficientes este-quiomtricos. El resultado es una constante que es especfica para cada temperatura y se conoce como constante de equilibrio.

Las caractersticas de un sistema en equilibrio qumico son las siguientes:

I. Las propiedades macroscpicas del sistema no cambian con el tiempo (como las concentraciones o presiones de los reactivos y productos).

II. El sistema es cerrado, por lo que no intercambia materia con el entorno (si uno de los productos es un gas, y permi-timos que ste se escape, el equilibrio se desplazar con-tinuamente hacia los productos, por lo que no podremos nunca estar en condicin de equilibrio qumico).

III. El equilibrio qumico es un equilibrio dinmico, donde las re-acciones hacia ambos sentidos prosiguen, pero sus veloci-dades estn igualadas.

IV. Las concentraciones en un sistema en equilibrio estn rela-cionadas mediante el coeficiente de reaccin, y el valor de este coeficiente se mantiene constante en lo que conoce-mos como constante de equilibrio.

V. El valor de la constante de equilibrio es distinto para diver-sos valores de temperatura.

Ahora que definimos qu es un sistema en equilibrio y lo que

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conocemos como constante de equilibrio, podemos analizar los al-cances de estos simples conceptos considerando un sistema muy especial: el sistema CO2/carbonato en el agua.

El dixido de carbono (CO2) es un gas que se libera como re-sultado de procesos naturales como la respiracin, que se consume tambin en procesos naturales como la fotosntesis, pero que en tiempos recientes (a partir de la revolucin industrial) se libera hacia la atmsfera en cantidades cada vez mayores, ya que es el princi-pal producto de la quema de combustibles fsiles (nuestra principal fuente de energa en la actualidad). Las concentraciones cada vez mayores de este gas en la atmsfera, adems de ser un peligro de-bido a su efecto invernadero, estn alterando los ciclos naturales del carbono, especialmente en los sistemas acuticos. Podemos en-tender este peligro planteando los equilibrios qumicos que suceden entre los carbonatos, el CO2 y el agua.

El ocano es la disolucin acuosa ms grande que conocemos. Es un gran caldo donde estn presentes multitud de sustancias qu-micas participando en una variedad de equilibrios que resultan en las caractersticas que conocemos y han permitido la ocurrencia de una cantidad enorme y diversa de vida. Algunas de las sustancias qumicas ms importantes presentes en los ocanos son los carbo-natos y sus especies relacionadas.

El suelo de los ocanos contiene una enorme cantidad de ro-cas, conchas y corales, todos ellos compuestos de carbonato de calcio. Normalmente, el ocano tiene una alta concentracin de io-nes carbonato en disolucin que es resultado de los equilibrios de solubilidad de estas especies. Este equilibrio se puede describir me-diante la siguiente ecuacin qumica:

CaCO3 (s) CO32- (ac) + Ca

2+ (ac)

Nota: Los subndices se utilizan para especificar el estado de agre-gacin de la especie qumica que estamos estudiando, especial-mente cuando hay equilibrios entre especies en distintos estados,

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como en este caso. El subndice (g) indica que es un gas, el subn-dice (l) que es un lquido, el subndice (ac) que est en solucin acuosa y el subndice (s) que es un compuesto slido.

Si desarrollamos la constante de equilibrio para esta reaccin tenemos lo siguiente:

Keq= [CO32-][Ca2+]/[CaCO3]

Dado que siempre hay carbonato de calcio slido presente en los ocanos, proveniente de las rocas, conchas y arenas marinas, la con-centracin de este compuesto ([CaCO3]) tiene un valor constante (sus cambios son insignificantes, considerando la enorme cantidad de slido que hay) y su valor puede ser incluido en el valor de una nueva constante: la constante de solubilidad del slido Ks que, para el carbonato de calcio (Ks(CaCO3)), se define de la siguiente manera:

Ks (CaCO3) = [CaCO3]*Keq = [CO32-][Ca2+] = 4.6x10-9

El valor de esta constante nos puede indicar la concentracin de carbonatos presentes en disolucin en condiciones de saturacin (suponiendo que no haya otros equilibrios presentes):

Ks (CaCO3) = [CO32-][Ca2+] = S2 = 4.6x10-9 S = 6.8x10-5 M

Donde S se refiere a la concentracin de los iones debida a la solu-bilidad del CaCO3 y cuyo valor sera la concentracin de iones car-bonato presentes en disolucin en caso de que no existieran otros equilibrios sucediendo en disolucin y es a lo que llamamos concen-tracin de saturacin, pues es la mxima concentracin de es-tos iones proveniente de la solubilidad del carbonato de calcio en ausencia de otras reacciones.

En realidad estos iones carbonato pueden participar a su vez en equilibrios cido-base con el agua formando iones bicarbonato e iones hidroxilo:

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CO3 2-

(ac) + H2O (l) HCO3- (ac) + OH

- (ac)

sta es una reaccin cido-base y su constante de equilibrio puede escribirse como:

Keq= [HCO3-][OH-]/[CO3

2-][H2O]

Donde la concentracin del agua en el agua es constante y donde adems podemos identificar al par cido-base: bicarbonato-carbo-nato, por lo que estamos trabajando con la constante de basicidad (Kb) del ion carbonato (la base en este sistema):

Kb (CO32-) = Keq[H2O]= [HCO3

-][OH-]/[CO32-]= 2.1x10-4

De los equilibrios planteados anteriormente podemos obtener la si-guiente informacin:

I. El carbonato de calcio que constituye a las rocas marinas y a las conchas y protecciones de animales marinos muertos se disuelve lentamente mediante un equilibrio de solubili-dad cuyo valor Ks(CaCO3) = 4.6x10

-9, generando iones car-bonatos disueltos en el ocano.

II. El ion carbonato es una base y reacciona con agua para formar iones hidroxilo, siendo su constante de basicidad Kb (CO3

2-) = 2.1x10-4.III. Estos equilibrios provocan que el ocano sea alcalino de-

bido a la formacin de iones hidroxilo, que al estar rela-cionados con la concentracin de iones hidronio median-te la constante de disociacin del agua (Kw=1.0x10

-14), dis-minuyen la concentracin de H3O

+ aumentando el pH del ocano respecto al valor del agua pura. El valor de pH del ocano en tiempos pre-industriales era de 8.25.

Pero estos equilibrios se han alterado debido a la presencia, en tiem-pos modernos post-industriales, de cantidades muy altas de dixi-do de carbono en la atmsfera.

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Siempre ha habido CO2 en la atmsfera y tambin en equilibrio con los cuerpos de agua, sin embargo, en tiempos recientes, la can-tidad de CO2 ha crecido hasta casi duplicarse. Las concentraciones atmosfricas de CO2 oscilaban entre 200 y 280 ppm en tiempos pre-industriales y ahora se acercan a las 380 ppm como resul-tado de las actividades industriales y la quema de combustibles fsiles. Pero slo el 50% del dixido de carbono liberado se mantie-ne en la atmsfera, cerca del 30% ha sido asimilado por los ocanos.

Lo que hace el CO2 en los ocanos es alterar los equilibrios del sistema de los carbonatos participando en una serie de nuevos equi-librios qumicos. En un primer momento, el CO2 entra en contacto con el agua y una fraccin de este gas se disuelve:

CO2 (g) CO2(ac)

Una vez disuelto, el dixido de carbono puede reaccionar con el agua para formar cido carbnico:

CO2 (ac) + H2O (l) H2CO3 (ac)

Este cido es un cido diprtico, es decir, que tiene dos protones que pueden disociarse (en una reaccin cido-base con el agua) para formar el ion bicarbonato (HCO3

-) primero y el ion carbonato (CO32-)

despus:

H2CO3 (ac) + H2O HCO3- + H3O

+ HCO3

-(ac) + H2O CO3

2- + H3O

+

En realidad, los dos protones no se disocian con igual facilidad, de-pende del valor de su constante de equilibrio.

Para la primera disociacin:

Keq=[HCO3-][H3O

+]/[H2CO3][H2O]

Como el valor de [H2O] se mantiene constante durante la reaccin

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(ya que est en un gran exceso) se puede definir una nueva cons-tante Ka que se conoce como constante de acidez:

Keq= [HCO3-][H3O

+]/[H2CO3][H2O] Keq[H2O] = [HCO3

-][H3O+]/[H2CO3] = Ka (H2CO3) = 4.2x10

-7

Lo mismo se puede hacer para la segunda disociacin

[CO32-][H3O

+]/[HCO3-] = Ka (HCO3

-) = 6.0 x 10-11

Nota: En este caso, podemos observar que ya habamos trabajado con un sistema similar, al definir la constante de basicidad del ion carbonato. Ambas constantes (de acidez del ion bicarbonato y de basicidad del ion carbonato) estn relacionadas mediante la cons-tante de disociacin del agua: KaKb=Kw.

Al igual que con pH, se puede aqu tambin trabajar con los va-lores de logKa conocido como pKa:

pKa= -logKa

Cada cido tiene un valor caracterstico de pKa, excepto los cidos fuertes que se disocian por completo por lo que no puede determi-narse un valor de constante de acidez. Los valores de Ka y de pKa para el cido carbnico son los siguientes:

H2CO3 (ac) + H2O HCO3- + H3O

+ Ka1 = 4.2x10-7 pKa1=6.35

HCO3 -(ac) + H2O CO3

2- + H3O

+ Ka2 = 6.0x10-11 pKa2=10.33

Para analizar las implicaciones de estos equilibrios, es necesario que aprendamos a interpretar los valores de las constantes de equilibrio. Una constante de equilibrio muy grande (mayor a uno) impli-ca que la reaccin estar desplazada mayoritariamente a los productos. Una constante de equilibrio muy pequea (menor a uno) implica que el equilibrio estar desplazado mayorita-riamente a los reactivos.

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En este caso, ambas constantes son menores a uno (son ci-dos dbiles), lo cual implica que las reacciones estn desplazadas mayoritariamente a los productos, es decir, que la disociacin del cido no es completa en ninguno de los casos, pero la constante de acidez es mucho mayor en el primer equilibrio. Esto implica que del cido carbnico que se forma, slo se disociar una parte para for-mar iones bicarbonato, y de esos pocos iones bicarbonato que se formen, muchos menos se disociarn para formar carbonatos de nuevo. O sea, que la presencia de CO2 est generando ms iones bi-carbonato disueltos, as como ms iones hidronio (H3O

+).Esto es muy importante, porque los iones hidronio genera-

dos son los causantes de lo que conocemos como acidificacin del ocano. Su efecto es disminuir el valor de pH del ocano, al reaccionar con los iones hidroxilo para formar agua. Este proceso ha disminuido el valor de pH marino de 8.25 a 8.06, lo cual implica un cambio en la concentracin de iones hidronio en alrededor de 20% aproximadamente en comparacin con los tiempos pre-industriales.

En realidad, el efecto de los iones hidronio no es slo la dismi-nucin del pH del ocano, sino que el hecho de consumir iones hi-droxilo produce que los iones carbonato se consuman y se produz-can ms iones bicarbonato. Para entender esto, debemos recordar la reaccin que planteamos como generadora de la alcalinidad del agua de mar:

CO3 2-

(ac) + H2O (l) HCO3- (ac) + OH

- (ac)

Si pensamos que los iones hidronio (H3O+) producidos por la disocia-

cin del cido carbnico, estn reaccionando con los iones hidroxi-lo (OH-), nos daremos cuenta que se est consumiendo uno de los productos de la reaccin anterior. Debido a que esta reaccin est en equilibrio, consumir uno de los productos alterar las concentra-ciones de todas las otras sustancias que participan en ella, pues su coeficiente de reaccin debe mantenerse constante:

Keq= [HCO3-][OH-]/[CO3

2-][H2O]

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Si el OH- se consume, para mantener esta relacin constante, el otro de los productos debe aumentar su concentracin y para ello los reactivos deben disminuir su concentracin. Es decir, que el efec-to de consumir uno de los productos es desplazar ms la reaccin hacia productos. A este principio, que se aplica para cualquier equili-brio qumico, se le conoce como el principio de Le Chatelier, y fue enunciado por l de esta manera:

Si se presenta una perturbacin externa sobre un sistema en equilibrio, el sistema se ajustar de tal manera que se cancele parcialmente dicha perturbacin en la medida que el sistema alcanza una nueva posicin de equilibrio

Esto implica que, si a un sistema en equilibrio se le aade un reacti-vo o producto, la reaccin que se produce es la que tiende a consu-mir la sustancia aadida. Si, por el contrario, se elimina un reactivo o producto la reaccin que se produce es la que tiende a reponerlo. En la reaccin anterior, esto implica que al consumir iones OH- se desplaza el equilibrio para consumir iones carbonato y producir ms iones bicarbonato.

Resumiendo todo lo que hemos descrito hasta ahora: I. Los ocanos contienen iones carbonatos resultantes de la

muy lenta disolucin de rocas marinas.II. Estos carbonatos reaccionan con el agua formando iones hi-

droxilo dando al ocano un pH alcalino con un valor de 8.25. III. En la actualidad, producto de la constante quema de com-

bustibles fsiles, la concentracin de CO2 en la atmsfera ha aumentado enormemente, y el ocano ha atrapado cer-ca del 30% de ello.

IV. El CO2 se disuelve en el agua y forma cido carbnico, un cido diprtico que puede reaccionar con el agua para for-mar iones bicarbonato e iones hidronio principalmente.

V. Los iones hidronio as generados reaccionan con los iones hi-droxilo formando agua y desplazando la reaccin del carbo-nato disuelto con agua para formar ms iones bicarbonato.

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Figura 5Equilibrios del sistema CO2/carbonato que ocurren en los ocanos

Aire

Agua

Rocas y conchas CaCO3 (s)

Ca2+

CO32-

+ H2O OH- + HCO3

-

CO2 (g)

H2CO3 H+ + HCO3

-

H2O

+

Al remover los carbonatos del ocano, las aguas se des-satu-ran de los minerales que los animales marinos, como los mo-luscos y los corales, necesitan para construir sus conchas y dems estructuras rgidas. Estos animales obtienen los carbona-tos disueltos en el mar y los emplean para construir sus corazas de carbonato de calcio.

A lo largo de cientos de aos, el agua de mar se satura de carbonatos mediante el desgaste de rocas y animales muer-tos que usan carbonato de calcio para construir sus corazas (la concentracin de saturacin est dada por la constante de so-lubilidad que estudiamos). La formacin y disolucin del carbonato de calcio depende del estado de saturacin del agua. Si el agua de

VI. Esto disminuye la concentracin de carbonatos en el oca-no adems de disminuir el pH que ahora es cerca de 8.06 (cerca de 30% ms iones H3O

+ que en tiempos pre-indus-triales).

Esta serie de reacciones pueden verse en la Figura 5.

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mar no est saturada de carbonatos, las estructuras de car-bonato de calcio de los sistemas vivos tambin empiezan a disolverse (recordemos el postulado de Le Chatelier, esto despla-za el equilibrio de solubilidad del carbonato de calcio slido a la for-macin de ms iones) lo que pone el peligro a estos organismos pues sus corazas protectoras se disuelven, lo que los deja en una situacin de mayor vulnerabilidad.

Esta serie de procesos es lo que se conoce como acidificacin de los ocanos, tambin llamado el otro problema del CO2 o el hermano gemelo maligno del calentamiento global, y es muy serio porque tiene consecuencias que no podemos ni siquiera prever.

Entender los sistemas qumicos como sistemas que estn en continuo movimiento, con equilibrios qumicos llevndose a cabo a cada instante, nos permite analizar nuestro mundo con nuevos ojos. Aunque parezca que trabajamos con sistemas inmviles, en todas las disoluciones y en todas las interfaces hay reacciones qumicas ocurriendo a cada instante, equilibrios que se desplazan con efectos tan grandes que pueden observarse y medirse.

En el estudio de la acidificacin de los ocanos resulta muy til comprender el equilibrio qumico: entender qu es, los mode-los matemticos que lo describen (formulacin de constantes de equilibrio) y las implicaciones de estos equilibrios (principio de Le Chatelier, interpretacin de los valores de las constantes de equili-brio). Entendiendo esto, podemos comprender mejor qu est su-cediendo a nuestro alrededor y podemos buscar alternativas y solu-ciones para los problemas que estamos generando como sociedad.

Secuencia didctica

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El objetivo de esta secuencia didctica es presentar los conceptos qumicos de agua, pH y equilibrio qumico plantendolos en un con-texto que sea atractivo para los estudiantes, que forme parte de su experiencia diaria y les permita tener una voz y una opinin funda-mentada sobre un tema de tanta actualidad como es el efecto que tienen las emisiones de dixido de carbono en los ocanos y los sis-temas marinos.

Propongo una serie de actividades divididas en tres tipos: a) presentacin de los temas y conceptos en el aula, b) experimen-tos para verificar lo aprendido y generar nuevas preguntas y nuevo conocimiento y c) discusiones para relacionar lo observado experi-mentalmente con las vivencias diarias y con su efecto en el mundo natural. El tema de la compresin del efecto de la emisin de CO2 en la acidificacin de los ocanos ser el hilo conductor para enla-zar los temas y las actividades en una secuencia lgica y atractiva para los estudiantes.

En el diagrama de flujo, los tres tipos de actividades se pre-sentan en tres columnas distintas: presentacin, experiencia y dis-cusin. En el esquema, la presentacin de un concepto nuevo suele preceder a un experimento o experiencia, sin embargo, esto no tie-ne por qu ser as. Es posible, y a veces incluso deseable, presentar un conocimiento nuevo a travs de una experiencia antes de discu-tirlo tericamente; de esta manera, la experiencia puede servir de disparador de conocimiento. En el caso de que se haga la presenta-cin terica previa a la experiencia, no se espera que el estudiante sepa de antemano qu va a pasar, sino que pueda conectar lo que estudi con lo que observa y as construir sus propias conclusiones. En ambos casos, el estudiante estar desarrollando su pensamiento cientfico.

Las experiencias que propongo incluyen una pequea introduc-cin, la descripcin del objetivo que perseguimos al proponer cada experimento, el material que se utilizar y el procedimiento a seguir. Una vez que los alumnos conocen el objetivo y el procedimiento de la experiencia que les proponemos, es importante que les plantee-mos una serie de preguntas generadoras de hiptesis y reflexin,

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las cuales incluyo en cada experimento. Estas preguntas las hace-mos para que los alumnos piensen sobre lo que van a hacer, lo que esperan encontrar y, finalmente, para que al terminar la prctica puedan comparar lo que pensaban antes y despus de hacer el ex-perimento. De esta manera los estudiantes podrn caer en cuenta de cmo estn generando su propio conocimiento al experimentar, e incluso pueden elaborar una explicacin de por qu acertaron o erraron en sus anticipaciones. Es importante aclarar que estas pre-guntas no son para dar una respuesta correcta ni para ser evalua-das, simplemente son anticipaciones que ayudan a los estudiantes a construir su propio conocimiento de los temas que se trabajan en las experiencias.

Al final de cada experiencia, describo tambin las conclusiones a las que esperamos que lleguen nuestros estudiantes una vez reali-zados los experimentos. Cada experiencia debe concluir con una pe-quea discusin, ya sea grupal o en pequeos equipos, pero adems propongo una discusin grupal final donde se relacione lo observado en el laboratorio con la vida diaria. Creo que este punto har que el conocimiento recin construido adquiera mucha ms importancia para los alumnos y as sea ms permanente para ellos.

La secuencia temtica que propongo permite enlazar un tema al otro de manera natural, para que los estudiantes puedan apre-ciar sus cursos como una construccin gradual de conocimiento y no una sumatoria de conceptos aislados. Esto permitir que los conceptos estudiados vayan incorporndose en los esquemas con-ceptuales de los estudiantes, pues tendrn que recurrir a ellos para comprender el tema siguiente. De esta manera, los temas presen-tados tendrn relevancia en ms de una clase y lograremos que el proceso de construccin del conocimiento sea gradual y ms rico.

Finalmente, una vez que se hayan recorrido los temas y que se haya construido el conocimiento necesario para entender el fe-nmeno de acidificacin de los ocanos, propongo una experiencia y una discusin final que no sea solamente qumica, sino que vaya ms all y sirva como eslabn para unir todo el desarrollo temtico

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con una grave problemtica social, donde mostremos a los estu-diantes cmo el saber qumica es una herramienta para tomar deci-siones como sociedad y para exigir cambios.

Figura 6Diagrama de flujo de la secuencia didctica

Presentacin Experiencia Discusin

Agua

Estructura mole-cular del agua

El agua: tan comn como extraordinaria El agua y la vida

Auto-ionizacin del agua

pH Construir una escala de pHEl pH en nuestra

vida diaria

Equilibrio qumico: el sistema CO2/CO3

2-

pH: agua, agua de mar, agua + CO2

Refrescos, mar, llu-via: diferentes es-pecies de carbono,

diferente pH

Los carbonatos en los animales ma-

rinos

Disolver una concha en cido

Efecto del CO2 en los ocanos

Pelcula: acidificacin del ocano

Participando en el debate social:

ciencia del cambio climtico

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A continuacin describir las actividades que propongo en cada punto de la estrategia didctica; detallar principalmente las expe-riencias o experimentos, que son los que nos dan pauta para pro-mover el pensamiento cuestionador en los estudiantes, as como para ilustrar los temas que trabajemos en el aula.

No detallar el contenido terico que se ensear en cada apartado, pues ya lo describ con mucho detalle en la presentacin terica. Dise la presentacin terica de los conceptos pensando en la manera en que propongo que sean enseados, as que si en al-gn apartado hay dudas sobre qu contenido se debe ensear o de cmo se relacionan los conceptos, les ruego volver atrs y buscar en el punto de presentacin terica.

a. Presentacin del agua como un compuesto qumico

En este apartado intentaremos que el estudiante vea al agua con nuevos ojos: ojos qumicos. Este es un paso muy importante porque, siendo el agua un compuesto tan comn, debemos hacer evidente lo que sabemos empricamente sobre el agua y agregar a este co-nocimiento una nueva perspectiva: de la estructura y la reactividad qumica. Propongo la generacin de una discusin en el aula acerca de los lquidos que conocemos, sus caractersticas y las diferencias que podemos distinguir entre el comportamiento de estos otros l-quidos y el del agua. Esto nos permitir tantear el terreno y recono-cer lo que nuestros alumnos saben y lo que pueden intuir. Debemos poner nfasis en lo especial que es el agua y plantear que las carac-tersticas del agua son un reflejo de su estructura molecular. Esto ayudar a acentuar la curiosidad de los estudiantes para entender a esta vieja conocida, el agua, con mucho ms detalle y nos permitir pasar al siguiente paso de la secuencia.

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b. Presentacin de la estructura qumica del agua y las caractersticas que la hacen especial

La intencin de este apartado es presentar el agua como una sus-tancia qumica y hacer notar a los estudiantes todas las propieda-des que se derivan de la geometra y constitucin de sus molcu-las, as como enfatizar lo especiales que son estas propiedades. Debemos explicar la estructura qumica del agua, la distribucin de sus tomos en el espacio y la distribucin de las cargas que la hacen una molcula polar. Expliquemos las consecuencias que tiene la po-laridad de las molculas de agua en la forma en que interaccionan, formando puentes de hidrgeno.

Finalmente, expliquemos a los alumnos las propiedades del agua que se derivan de su formacin de puentes de hidrgeno: elevada tensin superficial, diferencia de densidades entre su estado slido y lquido, elevado punto de fusin y ebullicin, que sea lquido a tem-peratura ambiente y su elevada capacidad calorfica. Enfaticemos lo distintas que son las propiedades del agua al compararlas con otros lquidos para dejar claro a nuestros estudiantes lo especial que es esta sustancia.

c. Experiencia 1: el agua, tan comn como extraordinaria

Introduccin Esta experiencia se compone de dos experimentos, que son muy simples, con los que buscamos hacer evidentes algunas de las pro-piedades tan especiales que tiene el agua; lo lograremos comparan-do las propiedades del agua con las de otros lquidos conocidos, ob-servaremos las diferencias y trataremos de explicarlas con base en lo aprendido acerca de la estructura molecular del agua.

En el experimento 1 compararemos el agua y el aceite al congelarse. Necesitamos conocer el modelo qumico de lo que su-cede normalmente con las sustancias al cambiar de estado slido

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a lquido. Tambin necesitamos conocer la estructura qumica del agua y las interacciones intermoleculares que se producen entre sus molculas en los dos estados de la materia.

En el experimento 2 compararemos las tensiones superficiales de diversos lquidos, tales como agua, aceite, leche, jabn lquido (detergente), miel y todo aquello que se nos ocurra. Es importante que conozcamos el modelo qumico detrs de la tensin superficial (y las distintas fuerzas intermoleculares) para comparar las obser-vaciones que haremos de cada uno de los lquidos.

Objetivo El objetivo de esta experiencia es que el alumno sea capaz de des-cubrir lo especial que es el agua al comparar su comportamiento fsico con el de otros lquidos comunes.

Experimento 1. Tan distintos como el agua y el aceite

Materialn Dos botellas de plstico del mismo volumen (de preferencia

iguales)n Un marcadorn Aguan Aceite de cocinan Un congelador

Procedimiento1. Llenar cada una de las botellas hasta la mitad de su volu-

men, una de ellas con agua y la otra con aceite.2. Marcar hasta dnde llega el volumen de cada lquido.3. Meter ambas botellas PARADAS al congelador.4. Esperar unas horas hasta que ambos lquidos se hayan

congelado y sacar las botellas del congelador (tambin se puede continuar con la experiencia al da siguiente, en

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caso de que se haya utilizado un volumen muy grande y los lquidos tarden mucho en congelarse por completo).

5. Marcar hasta donde llega el volumen de los slidos de am-bas sustancias.

6. Dejar que se descongelen lentamente. Si es posible, notar qu tan rpido se descongela cada uno de los lquidos.

7. Cuando el lquido y el slido estn conviviendo en disolu-cin, observar cmo se comporta cada slido.

Preguntas generadorasn Esperas que los comportamientos del agua y del aceite

sean distintos al congelarse? Por qu?n Qu esperas que suceda con el volumen de ambas sus-

tancias una vez que estn congeladas? Crees que tendrn el mismo volumen que en estado lquido o que su volumen ser mayor o menor?

n Cul de las dos sustancias crees que se descongelar ms rpidamente? Por qu?

n Cuando el lquido y el slido estn conviviendo en disolu-cin, cmo crees que se comportar cada slido: Flotar? Se ir al fondo?

ConclusionesEl agua y el aceite tienen comportamientos muy distintos al con-gelarse: mientras que el aceite slido tiene un volumen ligeramente inferior que el aceite lquido, el agua slida tiene un volumen mayor que el agua lquida (puede calcularse cunto mayor es comparan-do el volumen que ocupa el lquido y el slido). Esto se debe a que el agua slida forma una red de puentes de hidrgeno que expande su volumen, dejando muchos espacios vacos entre las molculas.

Al descongelarse podemos notar que el aceite se descongela ms rpido que el agua. Esto se debe a la elevada capacidad calor-fica del agua, que requiere mucha energa (en forma de calor) para deshacer sus puentes de hidrgeno antes de cambiar de estado.

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Una vez que hay lquido y slido conviviendo en cada una de las botellas, podemos notar que el hielo flota mientras que el aceite slido se va al fondo de la botella. Esto se debe a que normalmen-te, como sucede con el aceite, el estado slido de una sustancia es ms compacto y denso, pues sus molculas estn interactuando con ms intensidad acercando las molculas unas a otras, lo cual provoca que se hundan. En el agua, en cambio, el hielo forma una red de puentes de hidrgeno que deja muchos espacios vacos entre las molculas, provocando que su volumen sea mucho mayor y su densidad menor, por lo que flota.

Experimento 2. De gota a gota

Materialesn Varias monedas pequeas (de la misma denominacin, de

preferencia de 20 centavos), tantas como la cantidad de l-quidos con los que vayamos a trabajar.

n Goterosn Aguan Otros lquidos que encontremos en casa como aceite, leche,

jabn lquido