Propiedades del agua
Estructura de la molécula de agua
El agua es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno fuertemente unidos. Esta molécula es extraordinariamente pequeña y tiene una estructura que le confiere propiedades especiales.
El átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno, esto hace que los electrones de la molécula de agua se agrupen sobre todo en zonas próximas al núcleo de oxígeno, produciéndose un desplazamiento de los electrones en la molécula: un extremo se carga negativamente –aquí están los electrones y el núcleo de oxígeno y otro positivamente formado por los núcleos de hidrógeno-. Esta separación de cargas eléctricas se conoce como dipolo.
La molécula de agua
Cuando dos moléculas de agua se aproximan mucho, se establece una atracción
entre el extremo positivo de una y el negativo de la otra. Esta atracción provoca una
nueva ordenación de las cargas eléctricas y se produce entre las dos moléculas un
enlace que llamamos “enlace o puente de hidrógeno”. Debido a esta ordenación
eléctrica, cada molécula de agua puede unirse mediante puentes de hidrógeno con
cuatro moléculas de agua vecinas.
La fuerte atracción entre las moléculas del agua se debe a la formación de enlaces de hidrógeno sobre una base tridimensional. La estructura molecular tetraédrica del agua es la que permite formar enlaces de hidrógeno con un máximo de cuatro moléculas vecinas.
Puentes de Hidrógeno entre moléculas de agua O H H 11 Como consecuencia de las fuertes fuerzas atractivas entre las moléculas, el agua es un líquido con grandes anomalías en sus propiedades como son los altos valores de los puntos de fusión y ebullición, de la capacidad calorífica, de la constante dieléctrica y de la tensión superficial.
Propiedades del agua
1. Densidad
Se define como la unidad de masa de un cuerpo dividida por el volumen que ocupa. Los sólidos suelen ser la forma más densa de cualquier sustancia, seguido de los líquidos y de los gases. Normalmente la densidad disminuye con el aumento de la temperatura. Sin embargo el agua pura es una excepción, ya que alcanza su mayor densidad a los 4ºC. Cuando el agua se convierte en hielo los puentes de hidrógeno le dan una estructura erecta y ordenada que hace que sea menos denso que el agua líquida a bajas temperaturas y por eso el hielo flota sobre el agua
2. Calor Específico
El calor específico es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado la temperatura de un gramo de una determinada sustancia. El calor específico del agua es a normalmente elevado cuando se le compara con los de otras sustancias, esto significa que se necesita una gran cantidad de calor para elevar la temperatura del agua o se desprende mucho calor cuando ésta se enfría. En el caso del agua, a diferencia de otros líquidos, para una cantidad dada de calor, se eleva menos la temperatura del agua; por ello a 100ºC todavía hay un número muy grande de enlaces de hidrógeno sin romper y para vaporizar el agua se necesita cerca de cuatro veces más calor que lo esperado de no existir dichos enlaces. 12 Esta propiedad tiene consecuencias ambientales muy importantes, como es el caso del clima. Así las zonas cercanas a grandes lagos, mares u océanos experimentan fluctuaciones más pequeñas de temperatura. El agua de estos recursos actúa como termorregulador y puede absorber gran cantidad de calor en verano, mientras que su temperatura sólo aumenta ligeramente. En invierno desprende calor con lo que su temperatura baja levemente, siendo el clima de la zona más templado.
3. Poder disolvente
La polaridad que presenta el agua líquida es la que le permite disolver muchos compuestos. Para que la disolución sea posible se requiere que la energía de atracción entre el soluto y el disolvente sea mayor que la energía que existe entre las moléculas de soluto y entre las moléculas de disolvente.
Cuando se disuelve un sólido iónico en agua, como el cloruro sódico, se produce la disociación de los cationes sodio y de los aniones cloruro, los cuales atraen a las moléculas de agua. El polo positivo del agua es atraído por los aniones y el polo negativo por los cationes. Este proceso se debe a que la energía de las uniones ión dipolo es mayor que la suma de las energías de los enlaces iónicos de la sal y de los enlaces dipolo-dipolo del agua.
Pero el agua no sólo es capaz de disolver sustancias iónicas sino a muchas otras con las cuales puede interactuar mediante formación de enlaces de hidrógeno.
4. Tensión superficial
Esta propiedad hace referencia a la resistencia que ofrece un líquido para aumentar su superficie. Los líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción fuertes, tendrán una tensión superficial elevada. Puesto que las fuerzas de atracción 13 entre las moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrógeno y éstos tienen una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos.
La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos. Figura 4. Ejemplos de tensión superficial del agua. La presencia en el agua de sustancias disueltas modifica el valor de la tensión superficial, siendo ligeramente superior si las sustancias son hidrófilas (sales) y netamente inferior si son hidrófobas (detergentes).
5. Viscosidad
Es una medida de la resistencia a fluir que presentan los líquidos y está relacionada directamente con las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido. El agua tiene mayor viscosidad que otros líquidos porque sus fuerzas intermoleculares se deben a los enlaces de hidrógeno, que hacen que las moléculas tiendan a asociarse con gran fuerza.
6. Solubilización de gases
Esta propiedad es de vital importancia en la vida acuática. Según la ley de Henry, la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre el líquido. La mayoría de los gases, como el oxígeno del agua responden a esta ley, pero si el gas reacciona con agua resultan solubilidades o concentraciones mayores a las que predice dicha ley (así la solubilidad de CO2 es mayor porque al reaccionar con agua forma ácido carbónico). La solubilidad de los gases en líquidos (agua) depende de la temperatura, disminuyendo al aumentar ésta.
7. Fusión y ebullición
Si se calienta una masa de hielo, su temperatura aumenta gradualmente hasta que alcanza 0ºC, comenzando a fundirse. Durante la fusión, la temperatura permanece constante porque el calor absorbido por la masa se emplea en vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua de hielo. Una vez que la masa se ha fundido totalmente, el calor absorbido aumenta la energía cinética de las moléculas de agua y la temperatura aumenta hasta llegar a 100ºC, comenzando la ebullición del agua. Durante ésta, la temperatura permanece constante porque el calor se utiliza para vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas del estado líquido. Cuando las moléculas están en fase vapor, la temperatura aumenta de nuevo.
Debido a la formación de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua, los puntos de fusión y ebullición son superiores al de otras sustancias de peso molecular similar y análoga composición atómica.
8. Transparencia El agua limpia es transparente favoreciendo el proceso de la fotosíntesis, que se restringe conforme aumenta la turbidez, si bien un exceso de nutrientes en el agua y un elevado crecimiento de los organismos fotosintetizadores pueden originar la eutrofización o deterioro del medio acuático.
El agua es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno fuertemente unidos. Esta molécula es extraordinariamente pequeña y tiene una estructura que le confiere propiedades especiales.
El átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno, esto hace que los electrones de la molécula de agua se agrupen sobre todo en zonas próximas al núcleo de oxígeno, produciéndose un desplazamiento de los electrones en la molécula: un extremo se carga negativamente –aquí están los electrones y el núcleo de oxígeno y otro positivamente formado por los núcleos de hidrógeno-. Esta separación de cargas eléctricas se conoce como dipolo.
La fuerte atracción entre las moléculas del agua se debe a la formación de enlaces de hidrógeno sobre una base tridimensional. La estructura molecular tetraédrica del agua es la que permite formar enlaces de hidrógeno con un máximo de cuatro moléculas vecinas.
Puentes de Hidrógeno entre moléculas de agua O H H 11 Como consecuencia de las fuertes fuerzas atractivas entre las moléculas, el agua es un líquido con grandes anomalías en sus propiedades como son los altos valores de los puntos de fusión y ebullición, de la capacidad calorífica, de la constante dieléctrica y de la tensión superficial.
Propiedades del agua
1. Densidad
Se define como la unidad de masa de un cuerpo dividida por el volumen que ocupa. Los sólidos suelen ser la forma más densa de cualquier sustancia, seguido de los líquidos y de los gases. Normalmente la densidad disminuye con el aumento de la temperatura. Sin embargo el agua pura es una excepción, ya que alcanza su mayor densidad a los 4ºC. Cuando el agua se convierte en hielo los puentes de hidrógeno le dan una estructura erecta y ordenada que hace que sea menos denso que el agua líquida a bajas temperaturas y por eso el hielo flota sobre el agua
2. Calor Específico
El calor específico es la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado la temperatura de un gramo de una determinada sustancia. El calor específico del agua es a normalmente elevado cuando se le compara con los de otras sustancias, esto significa que se necesita una gran cantidad de calor para elevar la temperatura del agua o se desprende mucho calor cuando ésta se enfría. En el caso del agua, a diferencia de otros líquidos, para una cantidad dada de calor, se eleva menos la temperatura del agua; por ello a 100ºC todavía hay un número muy grande de enlaces de hidrógeno sin romper y para vaporizar el agua se necesita cerca de cuatro veces más calor que lo esperado de no existir dichos enlaces. 12 Esta propiedad tiene consecuencias ambientales muy importantes, como es el caso del clima. Así las zonas cercanas a grandes lagos, mares u océanos experimentan fluctuaciones más pequeñas de temperatura. El agua de estos recursos actúa como termorregulador y puede absorber gran cantidad de calor en verano, mientras que su temperatura sólo aumenta ligeramente. En invierno desprende calor con lo que su temperatura baja levemente, siendo el clima de la zona más templado.
3. Poder disolvente
La polaridad que presenta el agua líquida es la que le permite disolver muchos compuestos. Para que la disolución sea posible se requiere que la energía de atracción entre el soluto y el disolvente sea mayor que la energía que existe entre las moléculas de soluto y entre las moléculas de disolvente.
Cuando se disuelve un sólido iónico en agua, como el cloruro sódico, se produce la disociación de los cationes sodio y de los aniones cloruro, los cuales atraen a las moléculas de agua. El polo positivo del agua es atraído por los aniones y el polo negativo por los cationes. Este proceso se debe a que la energía de las uniones ión dipolo es mayor que la suma de las energías de los enlaces iónicos de la sal y de los enlaces dipolo-dipolo del agua.
Pero el agua no sólo es capaz de disolver sustancias iónicas sino a muchas otras con las cuales puede interactuar mediante formación de enlaces de hidrógeno.
4. Tensión superficial
Esta propiedad hace referencia a la resistencia que ofrece un líquido para aumentar su superficie. Los líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción fuertes, tendrán una tensión superficial elevada. Puesto que las fuerzas de atracción 13 entre las moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrógeno y éstos tienen una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos.
La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos. Figura 4. Ejemplos de tensión superficial del agua. La presencia en el agua de sustancias disueltas modifica el valor de la tensión superficial, siendo ligeramente superior si las sustancias son hidrófilas (sales) y netamente inferior si son hidrófobas (detergentes).
5. Viscosidad
Es una medida de la resistencia a fluir que presentan los líquidos y está relacionada directamente con las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido. El agua tiene mayor viscosidad que otros líquidos porque sus fuerzas intermoleculares se deben a los enlaces de hidrógeno, que hacen que las moléculas tiendan a asociarse con gran fuerza.
6. Solubilización de gases
Esta propiedad es de vital importancia en la vida acuática. Según la ley de Henry, la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre el líquido. La mayoría de los gases, como el oxígeno del agua responden a esta ley, pero si el gas reacciona con agua resultan solubilidades o concentraciones mayores a las que predice dicha ley (así la solubilidad de CO2 es mayor porque al reaccionar con agua forma ácido carbónico). La solubilidad de los gases en líquidos (agua) depende de la temperatura, disminuyendo al aumentar ésta.
7. Fusión y ebullición
Si se calienta una masa de hielo, su temperatura aumenta gradualmente hasta que alcanza 0ºC, comenzando a fundirse. Durante la fusión, la temperatura permanece constante porque el calor absorbido por la masa se emplea en vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua de hielo. Una vez que la masa se ha fundido totalmente, el calor absorbido aumenta la energía cinética de las moléculas de agua y la temperatura aumenta hasta llegar a 100ºC, comenzando la ebullición del agua. Durante ésta, la temperatura permanece constante porque el calor se utiliza para vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas del estado líquido. Cuando las moléculas están en fase vapor, la temperatura aumenta de nuevo.
Debido a la formación de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua, los puntos de fusión y ebullición son superiores al de otras sustancias de peso molecular similar y análoga composición atómica.
8. Transparencia El agua limpia es transparente favoreciendo el proceso de la fotosíntesis, que se restringe conforme aumenta la turbidez, si bien un exceso de nutrientes en el agua y un elevado crecimiento de los organismos fotosintetizadores pueden originar la eutrofización o deterioro del medio acuático.
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