¿QUÉ ES EL AGUA?
Cuando pensamos en agua nos imaginamos un líquido transparente, algo incoloro, sin sabor, tal vez algunos hasta piensan en el mar. Pero si pensamos en una definición más exacta, a nivel más pequeño y complejo, seguro nos sale la clásica definición de que agua es H2O. Bien, pero, ¿qué significa?
H2O
H
H
O
Para entender esto necesitamos saber unas cosas básicas:
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Todo objeto en el mundo es una sustancia. Lo que pasa es que las sustancias tienen diferentes ''fases'' o ''estados''. Esto es, la manera de manifestarse físicamente : sólido, líquido y gas.
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Cada sustancia está organizada. Si cogiésemos cualquier objeto, desde un trozo de tela hasta un poco de yogur y lo analizásemos bajo un microscopio, veríamos que está ''organizado''. Esta manera de agruparse es la responsable de los estados.
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La organización de las sustancias depende de cómo interaccionan sus ''moléculas''. Estas son las unidades que forman la materia.
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A su vez cada molécula está formada por ''átomos'', que son la unidad más pequeña en la que puede dividirse una sustancia. Cundo átomos diferentes se juntan forman ''compuestos''. Esto suele llevar a confusión cuando empezamos a estudiar, un compuesto siempre es una molécula, pero formada por átomos diferentes, sin embargo una molécula no siempre es un compuesto, ya que puede estar formada por átomos iguales o diferentes.
Con esto podemos darnos cuenta que cuando hablamos de H2O nos referimos al nombre de la molécula de agua, llamada así por estar formada por 2 átomos de hidrógeno ( símbolo químico H) y un átomo de oxígeno ( símbolo químico O), y no a la sustancia general. Por comodidad se usa indistintamente pero lo correcto sería decir, ''mira un vaso lleno de una sustancia formada por la agrupación de moléculas de agua'', un poco largo, no?
PROPIEDADES
¿Cuántas propiedades creeis que tiene el agua? Para empezar recordemos que según la Tª a la que nos encontremos podemos encontrarnos con un líquido, un bloque de hielo o un vapor, no se me ocurre mejor imagen que esta
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Es un buen disolvente, esto es, cuando se encuentra compartiendo el mismo espacio con otra sustancia, ya sea líquida o sólida, o incluso gas se puede unir a las móleculas de esta. Esto se debe gracias a que la unión entre sus moléculas son puentes de hidrógeno. Hay más enlaces que pueden unir moléculas; fuerzas de dispersión,tipo inductivas, electroestáticas, pero el agua usa un tipo especial, se dan cuando un H se acerca a un átomo de la molécula vecina y resulta ser pequeño y muy electronegativo (Esto es según Pauling, el poder que tiene un átomo en una molécula de atraer hacia sí electrones, esto solo es propiedad del átomo cuando forma parte de una molécula, no del átomo aislado.)
No pasa siempre, solo cuando las moléculas son polares o hidrofilicas, como la sacarosa. A esto se le llama ser soluble
Si son no polares o hidrofóbicas no se disociará el elemento que le añadamos, será insoluble.
Mezcla agua y sal
Mezcla agua y aceite
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En la estructura líquida las moléculas de agua tienen enlaces de hidrógeno solo con algunas de sus moléculas vecinas. Produciéndose un mejor empaquetamiento que en estado sólido, aumentando su densidad ( ver mejor en el apartado '' densidad lo mejor del agua'' más abajo.
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Presenta un inusual punto de evaporación frente a otras sustancias, esto es el paso de líquido a vapor, se produce en condiciones normales ( 1atm de presión, que es aproximadamente la presión que ejerce el ''aire'' por estar encima nuestro a nivel del mar, y a una temperatura aproximada de 25ºC) de 100ºC. Una temperatura elevada debida a que es necesaria mucha energía en romper los enlaces de hidrógeno.
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Otras propiedades que seguro escuchamos:
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gran constante dieléctrica, le da capacidad de ser disolvente también en disoluciones iónicas
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calor específico alto, por esto lo de el elevado grado de vaporización. Nos informa de cuanta energía hay que darle a 1g de agua para elevar 1ºC su temperatura
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Bajo grado de ionización, esto es, en la naturaleza es poco común encontrarla disociada en sus iones
4. Fuerza de cohesión elevada, sus moléculas se unen fuertemente con sus vecinas, de nuevo debido a los enlaces de hidrógeno.
Dado que el aceite son lípidos, con dos partes diferentes, una polar o hidrofílica y otra apolar o hidrofóbia, cuando se mete en agua y se agita se forman ''micelas'', esas burbujitas que se aprecian en la imágen. Pasa porque para no disociarse, las partes hidrofóbicas se juntan en el centro y quedan las patas hidrofílicas protegiendolas, formando esferas.
LO MEJOR DE LA DENSIDAD
La densidad se define como el espacio que ocupa una masa para un determidado volumen, representada matemáticamente como p= m / V. Por ejemplo el agua tiene una densidad de 1'000 g /cm3, en estado líquido. Otras densidades; hiero 7'87 g/cm3, oro 19'32 g/cm3, pvc rígido 1'42g/cm3.
Para entender mejor la densidad el mejor ejemplo es pensar en agua con aceite, el aceite menos denso flotará y el agua más denso se irá al fondo.
Ahora bien, qué tiene que ver esta propiedad aparentemente sencilla y que de pequeños nos parece mágico con lo importante que es para la vida?
La respuesta la encontramos en el hielo. Vereies, el hielo es agua en un estado molecular estable, menos energético, ya que sus moléculas se encuentran unidas y no se mueven tan libremente. Al unirse lo hacen de manera especial, al pasar a un estado sólido produce una estructura hexagonal
Esta estructura deja grandes huecos en la red que forma.
La expansión que tiene lugar durante la congelación se debe a que en el agua cristalizada forma esta red hexagonal tan abierta ocupando mucho espacio respecto al estado líquido.
Si volvemos a la definición de densidad, al ocupar más volumen pero ser la misma cantidad de agua, misma masa, mismos gramos, nos dará menor densidad que en estado líquido.
¡Hazlo tú mismo!
Materiales:
- Báscula de cocina
-Agua
-Un cubo de 1cm largo x1cm anchox1cm hondo, vamos 1cm3. Lo puedes hacer pegando con silicona caras cortadas de un envase como el de los croissants de un super.
Procedimiento:
Pesa en la báscula 1 g de augua, recuerda tarar el recipiente que estes usando!
Una vez pesado pasalo al cubo de 1cm3, ¿qué es lo que pasa?
¿Se llena, quedó medio vacío o se desbordó?
Cuéntanoslo, mándanos un mensaje
PUEDES VER LA DENSIDAD
Esta es la razón por la que el agua helada flota sobre el el agua líquida.
Gracias a esto los peces pueden vivir bajo el hielo. La capa de hielo forma una barrera que, aunque en el exterior esté a 0º C o inlcuso menos, debajo de esta menos fría.
LA TEMPERATURA Y EL AGUA
En el apartado anterior se dio a conocer mejor y un poco en profundidad la densidad, pero ¿ y si la temperatura se llevase tan bien con la densidad que pueden ir de la mano?
La densidad juega un papel importante, pero la temperatura no se queda atrás. Esta relación la explicaremos así:
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Cuando tenemos agua líquida a 0ºC ya está en forma de hielo, nada nuevo, si pensamos esto, significa que empiezan a formarse los cristales hexagonales un poco antes. Sabemos que flota sobre la líquida
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De 4ºC en adelante la densidad del agua disminuye al aumentar la temperatura, como en muchas sustancias. Esto es, se expande, aumenta el volumen , como p= m / V, si sube V al estar dividiendo --> p baja
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Entre 0º y 4ºC su estado es líquido, pero su densidad aumenta, se contrae, y alcanza su máxima densidad a 4ºC
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Cuando bajamos de 4ºC su densidad disminuye, el agua menos denso y más frío asciende ya que pesa menos.
Gracias a esta anomalía el agua, lagos, ríos y mares comienzan a congelarse desde la superficie hacia abajo. Esta capa de hielo sirve de barrera a los seres vivos, ya que aunque la temperatura ambiental sea muy baja ( en los polos puede ser muy extrema, puede llegar a -45ºC, la más baja registrada es de -68ºC) el agua bajo la superficie transformada en hielo mantiene constante su temperatura en 0ºC.
El agua del fondo queda protegida térmicamente del exterior y puede alcanzar temperaturas de 4º o 5ºC, suficientes para la supervivencia de ciertas especias. En esta propiedad se basan los esquimales para construir sus iglús.
0ºC
-2ºC
-45ºC
La temperatura no solo influye en esto, aún tiene otro papel importante, la solubilidad de solutos en una disolución.
Pensemos por un momento en cuando hacemos un café, uno instantáneo. Si no calentamos la leche o el agua donde lo vamos a hacer por mucho que mezclemos con una cuchara no se disolverá el café. También nos costará mucho disolver el azúcar cuando se la añadamos.
Bien con esto quiero introducir el concepto de disolución, disolvente y soluto. Por ejemplo en la disolución del café en un vaso de agua:
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Disolvente es lo que más hay, osea el agua
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El café en polvo, esa cucharadita que le añadimos es el soluto.
Es importante la Tª ya que así conseguiríamos que no quedasen grumos. Pero, ¿ si funciona hacia ese ''lado'' por que no al contrario?
Me explico, y si deseásemos que por ejemplo el agua, hirviese más rápido, o que no se congelase a 0ºC, imagínate en Alaska patinando por la carretera todo el año, ¿no sería mejor si se congelase a -2ºC o menos?
Estamos de suerte, si se puede, son echos experimentales que seguro hemos visto pero no sabíamos el por qué.
A este cambio de propiedades de congelación y evaporación ( ebullición) del agua o de cualquier otra disolución se le llaman propiedasdes coligativas:
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Disminución de la presión de vapor
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Aumento de la Tª de ebullición
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Descenso de la Tª de fusión ( congelación)
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Presión Osmótica
Todo esto son hechos experimentales que suceden cuando añadimos un soluto no volátil ( que n
sufre vaporización) a un disolvente puro ( sin ningún otro elemento, como agua sola, ni cargado ni con añadidos)
Cuando calentamos la mezcla la presión de vapor desciende, esto es, le cuesta más pasar de fase líquida a gas), y como consecuencia tenemos que transferirle más energía en forma de calor, en pocas palabras subirle la temperatura. Ya no hervirá a la misma Tª que si estuviese solo el disolvente.
Por el contrario si enfriásemos la disolución veríamos como se congela a una temperatura menor que cuando lo hacía siendo el disolvente puro.
En estas propiedades es en lo que se basan al echar sal a las carreteras heladas, la disolución de agua y sal ( NaCL) no se congelaa a 0ºC si no a Tª más bajas. De esta manera se disuelve el hielo quedando solo agua salada que no volverá a congelarse a no ser que bajen mucho las temperaturas
Ley de Henry
Nos ayuda a comprender estas disoluciones, '' a una temperatura dada, la cantidad de gas disuelto que hay en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas sobre la superficie del líquido. Manteniendo la presión parcial de un gas constante la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura. Pvapor gas = X. k, llamada Ley de Henry, con X la cantidad de gas, k la constante de henry es diferente para gas y depende de la temperatura
Las ''presiones de vapor ''. Estas son las presiones que un sólido o un líquido en su estado gaseoso ejercen sobre el resto de las moléculas de ellos mismos que aún están en la otra fase no vapor, a una temperatura determinada. Por ejemplo la presión de vapor del agua a 25ºC es 1 atm.
Gráfica p vs Tª
El agua como anticongelante
Su punto de congelación no es lo bastante bajo ni su punto de ebullición lo bastante alto. demás, el agua tiene la desventaja de corroer los metales. Se añaden ácidos orgánicos de cadena larga, que dan lugar a un ascenso ebulloscópico y un descenso crioscópico. El ascenso ebulloscópico permite que el agua se mantenga líquida
hasta mayor T (líquida absorbe más calor y empapa mejor las zonas a refrigerar). El descenso crioscópico le da el nombre de anticongelante a estas disoluciones: la presencia de un soluto hace que la disolución tenga una temperatura de congelación menor
Normalmente se hace referencia a disolución cuando uno de los componentes de la mezcla es líquido y el soluto sólido. Pero, también lo es cuando ambos son líquidos, o el soluto no es sólido, puede ser un gas. Bien en ese último caso es donde entra el agua. Ya que en el agua líquida pueden haber muchas otras moléculas, como O2, N2, CO2, H2S, CH4, NH3 ( por orden oxígeno, nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, metano y amoniaco), todos estos son los gases más abundantes en el agua marina.
Sabemos que para que exista vida es necesario el O2, ese gas tan importante que sin él la respiración no sería posible. Refiriéndonos a respiración no solo como a inhalar O2 y exhalar CO2 si no a todos los procesos que se hacen gracias a esta molécula y que permite realizar muchas funciones metabólicas tan importantes para la vida.
Los gases tienen un comportamiento diferente a los líquidos y sólidos cuando forman disoluciones
Para todo hay explicación, la ley de Henry explica la solubilidad de gases en el agua, ya que el muchos gases obedecen bien esta ley.
Con ella podemos saber que al aumentar la temperatura disminuye la cantidad de gas que puede haber en el agua.
Esto nos informa que el agua fría contiene una mayor cantidad de oxígeno que las aguas tibias. Si por efecto de la contaminación aumenta la Tª, aumentaría lamortandad de los animales acuáticos.
Esta ley es también útil en otros aspectos, como el buceo. Si tenemos un bombona con nitrógeno y oxigeno y nos disponemos a bajar algunos metros en una excursión debemos saber que cada 10 m que bajemos aumenta la presión aproximadamente 1 atm. Cuando la presión parcial del nitrógeno en la mezcla que respiramos excede 1 atm, el nitrógeno se disuelve en la sangre más facilmente. Al subir llevamos más nitrógeno en sangre del que lleva nuestra sangre. Si además subimos sin hacer todas las paradas necesarias este gas ya no es soluble ya que disminuimos la presión rapidamente y produce narcosis. Los síntomas son mareo y pérdida de la razón.
Por ello el uso de nitrógeno no es adecuado como segundo gas en las botellas de buceo. El gas utilizado es el helio, un gas inerte y menos soluble en la sangre. Además de que hay que hacer paradas a medida que asciendes y es aconsejable esperar un mínimo de 12 h antes de volver a sumergirnos para que los tejidos puedan liberarse del nitrógeno.