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Química Ambiental

TEMA 5. El Agua

1. INTRODUCCIÓN

El agua en su forma química está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, cuya unión constituye la molécula del agua. El agua tiene una importancia incalculable ya que representa las ¾ partes de la superficie terrestre y cuya proporción es similar en los organismos vivos, esta cifra varía de acuerdo a la especie que se estudie.

El agua es el líquido más abundante de la corteza y uno de los pocos líquidos naturales. No es de extrañar entonces que el agua sea una sustancia esencial en los seres vivos. El agua es el componente más abundante en los medios orgánicos, los seres vivos contienen por término medio un 70% de agua. No todos tienen la misma cantidad, los vegetales tienen más agua que los animales y ciertos tejidos (por ejemplo: el tejido graso) contienen menos agua -tiene entre un 10% a un 20% de agua- que otros como, por ejemplo: el nervioso, con un 90% de agua. También varía con la edad, así, los individuos jóvenes tienen más agua que los adultos (la carne de ternera es más tierna que la de vaca).

El agua en los seres vivos se encuentra tanto intra como extracelularmente. El agua intracelular, la que está en el interior de las células, representa 2/3, aproximadamente, del agua que contiene un ser vivo y el agua extracelular representa el tercio restante. Esta última se encuentra bañando las células o circulando en forma de sangre, linfa, savia, etc. En los seres unicelulares y en los organismos acuáticos el agua es además su medio ambiente.

El agua no es un simple medio ni una mera fase inerte, es un líquido muy reaccionable. Interviene en muchas reacciones químicas, bien como reactivo o como producto de la reacción, y resulta imprescindible para la estabilidad de muchas sustancias biológicas, por ejemplo, las proteínas.

Todos los seres vivos han sido diseñados alrededor de las propiedades características del agua, tales como su carácter polar, sus enlaces de hidrógeno y sus elevados puntos de fusión, ebullición, calor específico y tensión superficial.

El agua está distribuido en tres grandes compartimentos: continentes, atmósfera y océanos y unificado a través del ciclo hidrológico. Tal y como se observa en la Tabla 1, el volumen de agua en la Tierra es muy desigual entre estos tres compartimentos. Los océanos mantienen el 97,4% de todo el agua mientras que en los continentes, poseen menos del 3% del planeta. Además en estos últimos la cantidad de agua dulce y salina es prácticamente igual.

Tabla 1. Distribución del agua de la Tierra en distintos compartimentos indicando su tiempo medio de renovación.

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2. ALGUNAS PROPIEDADES DEL AGUA

Masa molecular.......... 18 da

Punto de fusion......... 0°C (a 1 atm)

Punto de ebullicion .... 100°C (a 1 atm)

Densidad (a 4°C)........ 1g/cm3

Densidad (a 0°C)......... 0,97g/cm3

Tensión superficial (a 20°C).... 72,8 dinas/cm

ESTRUCTURA QUÍMICA DEL AGUA

La molecula de agua esta formada por dos atomos de hidrogeno y uno de oxigeno. En el agua existen tambien los productos resultantes de la disociacion de algunas de sus moleculas: el ion H3O+ y el OH-.

En la molecula de H2O los enlaces covalentes entre el oxigeno y los dos atomos de hidrogeno forman un angulo de 104,5°. Ademas, el atomo de oxigeno atrae hacia si los electrones del enlace covalente. Esto hace que la molecula presente un exceso de carga negativa en las proximidades del atomo de oxigeno y un exceso de carga positiva en los atomos de hidrogeno. Por lo tanto, cada molecula de agua es un dipolo electrico.

Al ser las moleculas de agua dipolos electricos se establecen enlaces de hidrogeno entre el atomo de oxigeno de una molecula y los atomos de hidrogeno de las moleculas vecinas. Estos enlaces de hidrogeno se forman y se escinden a gran velocidad, aunque su estabilidad disminuye al elevarse la temperatura.

Debido a estos enlaces las moleculas de agua se mantienen unidas - cohesividad - y el agua es liquida a temperaturas a las que otras sustancias de masas moleculares similares como el CH4 y el H2S son gaseosas. De la cohesividad dependen tambien una serie de propiedades del agua de gran importancia para los seres vivos.

COHESIVIDAD DEL AGUA

La cohesividad, debida a los puentes de hidrogeno entre las moleculas de agua, es responsable de importantes caracteristicas del agua y de muchas de las funciones que el agua cumple en los seres vivos. Asi, son debidas a la cohesividad:

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- Fenómenos como el de la capilaridad, que permite la ascensión de la savia a través de los finísimos conductos que forman los vasos leñosos en las plantas.

- Es también responsable de que el agua sea un líquido prácticamente incompresible capaz de dar volumen y turgencia a muchos seres vivos (p.e.:gusanos) y por ejemplo, es la responsable del esqueleto hidrostático de las plantas.

- También es responsable de la elevada tensión superficial del agua; propiedad que permite las deformaciones del citoplasma celular y los movimientos internos en la célula.

- Como ya se ha dicho es la responsable de los elevados puntos de fusión y ebullición del agua. Otras sustancias de masas moleculares parecidas son gaseosas a temperaturas en las que el agua es líquida. El hecho de que el agua sea líquida en su mayor parte a las temperaturas que se dan en la Tierra ha posibilitado el desarrollo de la vida en nuestro planeta.

- De su elevado calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cierta masa de agua. Esto hace que el agua almacene o libere una gran cantidad de calor al calentarse o al enfriarse; lo que permite que el agua actúe como amortiguador térmico, evitando bruscas alteraciones de la temperatura y evitando de esta forma que, por ejemplo, algunas moléculas como las proteínas, muy sensibles a los cambios térmicos, se alteren.

- Su elevado calor de vaporización: cantidad de calor necesario para evaporar un gramo de agua es también debido a la cohesividad, pues para pasar del estado líquido al gaseoso es necesario romper los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua.

Estas dos últimas propiedades son de gran importancia a la hora de regular la temperatura en muchos seres vivos, por ejemplo: la sudoración.

SOLUBILIDAD

El agua es un buen disolvente de los compuestos iónicos, ya que en ella se disuelven mayoría de las sustancias existentes en la naturaleza, incluyendo metales, no metales, sales como carbonatos, nitratos, etc. Esto es debido a que el agua es una sustancia polar. La molécula de agua es atraída por cargas positivas y negativas por parte de los solutos (o sustancias que se van a disolver). Estas interacciones se conocen como atracciones ión – dipolo (ver figura) y se producen entre el extremo del dipolo negativo del agua y el catión; así como entre el extremo del dipolo positivo y el anión. Esta interacción llega a tal punto que los iones se hidratan, es decir, que se asocian

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con varias moléculas de agua (en el caso de solutos débiles).

También son solubles en agua las sustancias polares, por ejemplo: los glúcidos; normalmente, estas sustancias tienen una elevada proporción de oxígeno. Por el contrario, aquellas sustancias orgánicas que presentan una elevada proporción de hidrógeno y pocos átomos de oxígeno son poco solubles en agua; por ejemplo: los lípidos.

Algunas sustancias tienen una parte de su molécula que es soluble en agua (hidrófila) y otra parte insoluble (hidrófoba). Estas sustancias se dice que son anfipáticas. Las sustancias anfipáticas, cuando están en un medio acuoso, orientan su molécula y dan lugar a la formación de micelas, monocapas o bicapas.

Las grandes moléculas, como las proteínas, si son solubles en agua, forman un tipo especial de disoluciones denominadas disoluciones coloidales. Las disoluciones coloidales van a poder estar en dos estados: sol y gel. En el estado de sol predomina la fase dispersante, el agua, por ejemplo, sobre la fase dispersa y la solución es más fluida. En estado de gel predomina la fase dispersa, por ejemplo: la proteína, sobre la fase dispersante, y la solución es más viscosa. El paso de un estado a otro es reversible y diversos factores físicos y químicos pueden hacer que una solución pase de un estado a otro sin necesidad de variar la concentración de soluto. Estos factores pueden ser: el pH, la temperatura o una alteración en la concentración de determinados iones presentes en el medio. Los soluciones coloidales pueden separarse por diálisis por medio de membranas cuyos poros sólo permiten pasar las moléculas de pequeño tamaño y no las partículas coloidales.

IONIZACIÓN y pH

Parte de las moléculas (10-7 moles por litro de agua, 1 mol= 6,023x1023 moléculas) están disociadas (ver en la figura 13 la ecuación de ionización del agua).

Las sustancias ácidas al disolverse en agua se disocian y producen iones H+ que aumentan la concentración de iones H3O+ del medio. Las sustancias básicas se disocian también produciendo iones OH- que se unen a los iones H3O+ formándose dos moléculas de agua, por lo que la concentración de iones H3O+ del agua disminuye.

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La concentración de iones H3O+ del agua se puede tomar, por lo tanto, como una medida de su acidez, si es alta, o de su basicidad, si es baja. El pH se define como el logaritmo decimal negativo de la concentración de iones H3O+ de una disolución. En el agua pura (neutra) la concentración de protones es de 10-7 moles por litro (pH=7). Por lo tanto:

• si el pH < 7, la disolución será ácida;• si el pH = 7, será neutra;• si el pH > 7, será básica.

CAPACIDAD CALORÍFICA

Es la cantidad de calor que tiene que absorber el agua para que su temperatura aumente en 1°C, por su alto calor específico (1 cal/mol) el agua tiene un gran uso industrial, ya que absorbe y transporta calor en los sistemas de enfriamiento. Esta propiedad protege a los organismos, especialmente a los acuáticos, de cambios bruscos de temperatura y ayuda a modular las diferencias climáticas.

CALOR DE VAPORIZACIÓN

Es el calor requerido para convertir una sustancia del estado líquido al estado gaseoso sin cambio de temperatura. Para el caso del agua, éste tiene un elevado calor de vaporización al igual que otros líquidos capaces de hacer puentes de hidrógeno como el etanol o ácido acético, y a diferencia de otros líquidos como el hexano que no lo hace.

TENSIÓN SUPERFICIAL

Las fuerzas cohesivas entre las moléculas dentro de un líquido, están compartidas con todos los átomos vecinos. Las de la superficie, no tienen átomos por encima y presentan fuerzas atractivas mas fuertes sobre sus vecinas próximas de la superficie. Esta mejora de las fuerzas de atracción intermoleculares en la superficie, se llama tensión superficial. Se define como la fuerza para desplazar las moléculas hacia el interior, que puede concluir que la tensión superficial es el trabajo que debe realizarse para desplazar las moléculas de agua. Es por ello que en el tratamiento de aguas se recomienda tener el con baja tensión superficial, ya

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que así los sólidos presentes serán desplazados con mayor facilidad.

3. EL AGUA COMO SUSTANCIA REACCIONABLE

El agua participa activamente en los procesos quimicos que se dan en la celula, pues es en si misma una sustancia muy reaccionable. Asi:

1. Reacciona con los óxidos ácidos: Los anhídridos u óxidos ácidos reaccionan con el agua y forman ácidos oxoácidos.

CO2 + H2O → H2CO3 (ácido carbónico)

SO2 + H2O → H2SO4 (ácido sulfúrico)

N2O5 + H2O → 2HNO3 (ácido nítrico)

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

Na2O + H2O → 2NaOH (hidróxido de sodio)

CaO + H2O → Ca (OH)2 (hidróxido de calcio)

MgO + H2O → Mg (OH)2 (hidróxido de magnesio)

3. Reacciona con los metales: Algunos metales descomponen el agua en frío y otros lo hacían a temperatura elevada.

En agua fría2Na + 2H2O → 2NaOH + H2 (hidróxido de sodio mas hidrógeno)Ca + 2H2O → Ca (OH)2 + H2 (hidróxido de calcio mas hidrógeno)

En agua a temperatura elevada

Mg + H2O + calor → MgO + H2 (óxido de magnesio mas hidrógeno)3 Fe + 4H2O + calor → Fe3O4 + 4H2 (óxido ferroso-férrico mas hidrógeno)

4. Reacciona con los no metales: el agua reacciona con los no metales, sobre todo con los halógenos, dando los siguientes compuestos:

Cl2 + H2O → HCl + HClO (ácido clorhídrico y ácido hipocloroso)Br2 + H2O → HBr + HBrO (ácido bromhídrico y ácido hipobromoso)

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

C + H2O → CO + H2 (gas de agua)

5. Se une en las sales formando hidratos: el agua forma combinaciones complejas con algunas sales, denominándose hidratos, como son:

CuSO4•5H2O (sulfato cúprico hidratado con 5 moléculas de agua)

FeSO4•7H2O (sulfato ferroso hidratado con 7 moléculas de agua)

ZnSO4•7H2O (sulfato de zinc hidratado con 7 moléculas de agua)

Na2CO3•10H2O (carbonato sódico hidratado con 10 moléculas de agua)

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

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

Algunas cuestiones resueltas

1. Explica por qué el enlace de hidrógeno es el responsable del alto punto de ebullición del agua.

Porque se necesita aplicar una mayor energía para alcanzar dicha temperatura, esto se debe a la formación de estructuras más estables producto de las atracciones ejercidas por los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las moléculas de agua.

2. ¿Cómo influyen los océanos en el clima teniendo en cuenta el elevado calor específico del agua?

El principal aporte calorífico que tiene el agua del mar está representado por las radiaciones energéticas que le llegan del Sol. Su calor específico tiene un valor elevado en comparación con el calor específico de las demás sustancias existentes en la superficie del planeta; esto confiere al océano una extraordinaria capacidad para almacenar y ceder calor, con cambios pequeños de temperatura, y por esta propiedad puede actuar como un gigantesco moderador del clima.

Esta gran capacidad de los océanos para conservar el calor permite que la temperatura sea más estable en el mar que en los continentes, siendo en aquél menos marcados sus cambios a través de las cuatro estaciones del año.

3. ¿Qué recursos del ciclo del agua aprovecha el hombre? ¿Cuáles crees que son más sensibles a una sobreexplotación?

RECURSOS APROVECHAMIENTO SENSIBILIDAD A LASOBREEXPLOTACIÓN

RÍOS -Embalses : Recreación, Regadío, Presas hidroeléctricas-Piscifactorías-Extracción de agua potable

Media

AGUAS SUBTERRÁNEAS -Extracción de agua potable-Extracción de agua para regadío

Muy alta

LAGOS - Ocio- Riego- Industria

Alta

MAR -Extracción de agua para potabilizar por desalación- Obtención de energía

Baja

4. ¿Por qué se dice que el agua es un buen regulador térmico?

Porque mantiene la temperatura ni muy alta ni muy baja. El agua tiene la particularidad de almacenar o liberar una gran cantidad de calor al calentarse o al enfriarse, lo cual protege a los organismos, especialmente a los acuáticos, de cambios bruscos de temperatura.

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5. ¿A qué característica de la molécula del agua se debe su capacidad para disolver sustancias y sufrir contaminación?

Debido a su naturaleza dipolar el agua disuelve un gran número de sustancias distintas, tanto inorgánicas (fertilizantes químicos de nitratos, fosfatos, potasa, álcalis y bases, metales pesados, mercurio, cromo, plomo, cianuros, arsénico…) como orgánicas (diferentes compuestos alcohólicos, fenólicos...), ya que tiende a interaccionar eléctricamente con numerosas sustancias, dispersándolas en su medio.

En las inorgánicas, como sales cristalizadas, la solubilidad se produce porque los dipolos del agua se oponen a la unión de los iones que la componen y los atraen fuertemente (solvatación). En las orgánicas, la solubilidad se debe a la tendencia del agua a establecer enlaces de hidrógeno con grupos funcionales polares, como los grupos hidroxilo y carbonilo

Preguntas de estudio

1. ¿A qué se conoce como comportamiento anómalo del agua? Explique

2. El agua tiene una constante dieléctrica muy elevada, por lo que en ella se disuelven muy bien las sustancias…

a) covalentes,b) iónicas,c) metálicas,d) apolares.

3. Indica el nombre de las fases del ciclo hidrológico del agua en los recuadros en blanco según lo descrito en cada enunciado:

4. Completa en los 4 espacios en blanco los procesos del cambio de estado del agua:

5. En las nubes el agua se encuentra en estado de:

a) sólido,b) gas,

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c) líquido,d) todos los anteriores.

6. Indica cómo se formarán los puentes de hidrógeno entre dos moléculas de agua:

7. Mencione las razones de la elevada capacidad disolvente del agua (ver pag. 40 del libro Contaminación Ambiental: una visión desde la química de Carmen Orozco).