fasciculo19 el mundo de la quimica

8/14/2019 Fasciculo19 El Mundo de La Quimica

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Histricamente el agua ha servido como base del desarrollode muchas de las poblaciones que hoy en da conocemos.El agua y la civilizacin no pueden ser separadas. De hecho,la ausencia de agua siempre ha estado asociada con ladesaparicin de los seres vivos.

Las primeras civilizaciones nacieron en los valles de los

grandes ros: el Tigris y el Eufrates en la antiguaMesopotamia, el Nilo en Egipto, el Indo en Pakistn y elYangts o Yangtz en China; sus torrentes hicieron posibleque esas sociedades pasaran de una actividad agrcola desubsistencia a una economa prspera.

En Egipto se crearon los primeros sistemas de riego ydiques que permitieron utilizar, en poca de sequa, el aguadel Nilo que haba sido almacenada durante el invierno.Igualmente en Mesopotamia (hoy Irak) se logr canalizarel agua de los ros Tigris y Eufrates para satisfacer elconsumo humano y regar las plantaciones de trigo.

Fundacin Polar ltimasNoticias El mundo de la qumica Captulo VII: El agua y su mundo fascculo 19

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Importancia del agua

Como el agua siempre ha sido tan importante para loshumanos, no slo se han desarrollado civilizacionesalrededor de ella, sino que tambin han nacido muchashistorias, mitos y leyendas.

Uno de los pasajes de la Biblia da cuenta de la divisin delas aguas del Mar Rojo por parte de Moiss.

La mitologa narra que los celtas lanzaban monedas y joyasa los ros y lagos para agradecer a los dioses porquepensaban que ellos vivan all.

Los chinos crean que los fantasmas podan atravesar elagua slo en lnea recta, y colocaban puentes en zig-zag

para evitar su llegada.Tambin en la mitologa griega hay muchas asociacionescon el agua. La principal es la de Neptuno, dios de losmares. Otra es la princesa Juturna, quien al no poder evitaruna guerra con los troyanos se ahog mientras su hermanomora en batalla. Zeus tuvo piedad de ella y la convirti enuna ninfa: la diosa de las aguas tranquilas. En el ForoRomano, en Italia, existe una fuente sagrada en su honor.

Moises cruzandoel Mar Rojo.

Capilla Sixtina,Roma, Italia.


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A nuestro planeta, la Tierra, se le llama el planetaazul precisamente por la gran extensin de nuestrosocanos y mares. Tan slo un 29,2% de la superficiede la Tierra est formada por tierra firme, mientrasque un 70,8% est cubierta por el mar. Esta enormepresencia determina, en buena parte, la existenciade vida en nuestro planeta.

A pesar de que el agua de los mares y ocanospareciera ser de color azul o azul-verdoso, el aguaes incolora. El color observado es el resultado defenmenos de difusin, absorcin y, sobretodo,reflexin/refraccin de la luz que penetra la superficiemarina y ocenica. As que, por una parte, lo observadodepende de la intensidad de la luz que incide sobrela superficie, la presencia de nubosidad y el estadode agitacin del agua. Pero por otra parte, el colorque se ve puede depender fuertemente de laconcentracin de partculas, organismos omicroorganismos presentes en suspensin en unazona determinada. As pues, en la cercana de ciertascostas y desembocaduras de ros, el agua parecieraser de color marrn-amarillo y hasta rojizo, productode los slidos en suspensin que son arrastradosdesde tierra hacia los mares u ocanos.

Los organismos microscpicos que presentancoloraciones propias pueden modificar la tonalidad yes as como las aguas del Golfo de California, llamadoMar Bermejo, y las del Mar Rojo tienen un color pardodebido a la presencia de algas, minsculos animalesdinoflagelados (fitoplancton marino) que poseen estascoloraciones y una elevada concentracin de sal,

42 (por mil).

Cuando la cantidad de dinoflagelados coloreadosaumenta en el agua del mar y llegan a existir diezmillones de individuos por milmetro cbico de agua,entonces forman lo que se conoce con el nombre de"marea roja". En el estado Sucre, por ejemplo, tenemosel caso de Playa Colorada, que recibe ese nombredebido a que sus arenas contienen altos porcentajesde arcilla, haciendo que la playa se vea de color rojizo.En verdad, en ninguno de esos casos el agua escoloreada.

El planeta azul y el color del agua

Sabas que...?El agua es indispensable para la vida del ser humano. Es elprincipal agente termoregulador del organismo; permiteconseguir un equilibrio de temperaturas en todo el cuerpo yhace posible la disipacin del calor metablico que observamoscuando realizamos ejercicios fuertes. Nuestro organismo, yel de cualquier otro ser vivo, necesita agua para funcionarnormalmente puesto que tanto las reacciones bioqumicascomo el transporte adecuado de las sustancias tienen lugaren solucin acuosa. Adems, el agua constituye al menos dosterceras partes del cuerpo humano.


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El ciclo del aguaEl calor del sol hace que el agua delos ros, ocanos, mares y lagos seevapore. Es por ello que el airecontiene una cantidad considerable deagua en forma de vapor, la cual seconoce como humedad atmosfrica.

Cuando el aire se enfra, el vapor secondensa y el agua se precipita bajoformas diversas (lluvia, nieve, granizo,roco...). Una parte del agua vuelve acaer sobre el mar, otra circula por losterrenos y se encauza en torrentes yros que desembocan en mares,ocanos y lagos. Y una gran cantidadde ella se infiltra y origina corrientesy lagunas subterrneas que luegoafloran en los manantiales.

Transpiracin

Evaporacin

Precipitacin

LluviaNieve

Escorrenta

Aguas subterrneas

LagoOcano

Ro

En nuestra vida diaria convivimos con los tres estados fsicos delagua. Los cambios de estado de la materia fueron consideradosen captulos anteriores. Un compuesto en estado slido lo podemospasar al estado lquido por fusin, o al gaseoso directamente por

sublimacin. Igualmente, se puede pasar del estado lquido algaseoso por evaporacin. Todos estos procesos requieren energapara producirse. Cabe recordar que tambin los procesos inversosocurren pero con liberacin de energa.

El agua posee un intervalo amplio de temperaturas en las que semantiene en estado lquido. Ese intervalo, a presin de una atmsfera(nivel del mar), va desde 0 C, temperatura de congelacin, a100 C que es su temperatura de ebullicin. Histricamente, se hantomado las temperaturas de fusin y ebullicin del agua comoreferencia de la escala de temperaturas.

Un poco de historia

Henry Cavendish (17311810) fue un cientfico ingls que se destacprincipalmente por sus aportes a la qumica y la fsica. Algunos desu trabajos estuvieron relacionados con la electricidad, para lo cualmidi la fuerza de la corriente elctrica dndose a s mismo descargaspara estimar la magnitud del dolor. Adems, perfeccion la tcnicade recoleccin de gases en agua y fue el primero en colocar unnombre a los componentes de sta. Lavoisier demostr pocodespus que el agua est constituida, exclusivamente, por hidrgenoy oxgeno. Por su parte, Cavendish es muy recordado por sudeterminacin de la composicin del aire y la densidad media dela Tierra.

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De toda la cantidad de agua que hay en el planeta, solamente el 3% es agua dulce y apenas la mitad de ella espotable. El agua de procedencia natural (de mar, ros, pozos, lagos o de lluvia) contiene cantidades variables de sales(alcalinas y alcalinotrreas) y gases (dixido de carbono y aire), adems de compuestos orgnicos y microorganismos.Se le considera potable cuando est libre de grmenes y sustancias qumicas dainas y, por tanto, es apta paraconsumo humano. Debe ser lmpida e inodora, fresca y agradable, contener algunos gases y sales disueltos enpequeas cantidades, pero no debe tener materias orgnicas, grmenes o bacterias. Para hacer que el agua sea aptapara consumo humano se puede someter a ebullicin, filtrado, coagulacin, cloracin, aereacin o destilacin. En lamayora de las grandes ciudades se utiliza una combinacin de todos estos mtodos en las plantas de tratamiento.


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A pesar de lo simple que pueda parecer comosustancia, el agua tiene propiedades muyinteresantes que determinan que se encuentre enestado lquido y la convierten en elementoindispensable en la vida diaria.

El agua: Compuesto, molculay estados fsicos

El agua pura es inodora, incolora e inspida.Es un compuesto formado por tomos de hidrgenoy oxgeno, y su frmula qumica es H2O. En lamolcula de agua los dos tomos de hidrgeno seunen a uno de oxgeno a travs de enlacescovalentes (que discutimos en un fascculo anterior),formando una molcula de geometra angular, talcomo se observa en la figura.

Qu tipo de compuesto es el agua?tomo de oxgeno

tomo de hidrgenotomo de hidrgeno

104,5

104,5

La estructura geomtrica de la molcula de aguase debe a que los dos pares de electrones libres

(no enlazados) del tomo de oxgeno crean unadensidad de carga que acta sobre los dos enlacesH-O obligndolos, por efecto de repulsin decargas, a cerrar el ngulo H-O-H, que forman lostres tomos hasta un valor de 104,5. Es por elloque el agua presenta una estructura angular envez de una posible estructura lineal como otrasmolculas triatmicas, por ejemplo, el CO2.

Protn

Neutrn

Electrn

tomo de carbono

tomo de oxgenotomo de oxgeno

Molcula de glucosa envueltaen una capa hidratadade molculas de agua


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Un punto importante a considerar es que a nivel fsico-qumico,mientras en la mayora de las sustancias la densidad aumenta amedida que la temperatura disminuye, en el caso del agua estose cumple slo hasta bajar a 4 C. Cuando el agua se continaenfriando por debajo de esta temperatura, la densidad disminuye.Es por ello que el hielo flota en el agua lquida.

Este comportamiento, aparentemente anmalo del hielo, se debea que la estructura generada por interacciones llamadas puenteso enlaces de hidrgeno en estado slido tiene un volumen molarmayor que aquel que posee en estado lquido. En las figuras semuestran, esquemticamente, estos enlaces en ambas fases.

Para formar puentes de hidrgeno es necesario que las molculasposean tomos con electrones no compartidos (como los oxgenosdel agua) y que estos tomos sean muy electronegativos y depequeo tamao, como el oxgeno, el flor y el nitrgeno. A pesarde que un puente de hidrgeno no es tan fuerte como un enlacecovalente, es suficientemente resistente para determinar ciertaspropiedades de un estado de la materia intermedio entre el slido

y el gaseoso, como lo es el estado lquido.Efectivamente, el agua se presenta en estado lquido, a presinatmosfrica en el intervalo de temperatura conocido, porque susmolculas estn unidas entre s por enlaces de hidrgeno, talcomo fue sugerido por Linus Pauling (foto). Estos puentes favorecenla unin de las molculas y, como resultado, el agua lquida tieneuna estructura relativamente ordenada (figura), y muy estable enun intervalo de temperaturas amplio. Los puentes de hidrgenose forman y se rompen de manera continua a una velocidad queoscila entre una milmillonsima de segundo (un picosegundo) yuna billonsima de segundo (un femtosegundo).

Cuando el agua pasa al estado slido, es decir cuando se convierte

en hielo, por efecto de la disminucin de la temperatura lasmolculas se organizan en una estructura que a pesar de sercompacta tiene un mayor volumen. Tal como observas en la imagen,cada molcula de agua se enlaza con otras cuatro a travs depuentes de hidrgeno. Por lo tanto, en un volumen dado de hielohay menos molculas de agua que en el mismo volumen de agualquida. Este es el motivo por el cual cuando el agua se congelasu volumen aumenta y como consecuencia el hielo formado alcongelarse el agua a 0 C flota sobre sta. Es tambin por estarazn que se rompen los envases de vidrio cuando se congelanbotellas completamente llenas de agua.

El puente de hidrgeno y el agua

InteresanteGracias a la particularidad de que el hielo flota sobre el agua es quemuchas especies vivas pueden sobrevivir bajo mares congelados enaquellos pases donde las temperaturas descienden considerablementeen invierno. En los mares y lagos se congela primero la capa superficialde las aguas, quedando por debajo del hielo agua lquida, cuyatemperatura aumenta con la profundidad, llegando a ser de 4 C enel fondo. Durante los meses invernales, este fenmeno permite elmantenimiento de la vida vegetal y animal en el agua.


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El agua es un regulador trmico muy estableLa capacidad del agua para modificar su temperatura depende desu calor especfico (cantidad de calor que se debe absorber operder para que 1g de sustancia cambie su temperatura en 1 C).

El calor especfico del agua es muy alto comparado con la mayorade las sustancias. Por ello cambia su temperatura muy lentamente.Si tocas una olla donde se est calentando agua, te quemas el

dedo mucho antes de que el agua comience a evaporarse debidoa que el calor especfico del agua es 10 veces mayor que el delhierro. Adems, para evaporar un gramo de agua hace faltaaproximadamente siete veces ms calor que para fundirlo. staes una propiedad relacionada con los puentes de hidrgeno, yaque la energa en forma de calor que se suministra al agua cuandose calienta, se utiliza para romper los puentes de hidrgenoexistentes y para aumentar la energa cintica de las molculasde agua.

Este fenmeno afecta enormemente a nuestro planeta, porquecuando la temperatura aumenta apenas un poco, las grandesmasas de agua absorben y almacenan una gran cantidad de calor.

En los pases en los que hay invierno, el enfriamiento gradual delagua calienta el aire y hace el invierno menos cruel. Es por ellotambin que los cambios estacionales en las zonas costeras sonmenos radicales que en las regiones internas. Adems, el

enfriamiento gradual del agua ayuda a que las temperaturas enlos ocanos puedan ser bastante estables, lo que favorece la vidamarina.

El agua que cubre nuestro planeta mantiene los cambios detemperatura dentro de lmites que permiten la vida, y, como nosotrosestamos hechos principalmente de agua, tenemos mayor capacidadpara resistir los cambios estacionales que si estuviramoscompuestos por otro lquido con menor calor especfico.

Si se pretendiera descomponer el agua en sus constituyentes,hidrgeno y oxgeno, se requerira una gran cantidad de energapara lograrlo, mucho mayor que la energa necesaria para fundirla,calentarla o evaporarla, dado que para el agua sus enlacesintramoleculares son ms fuertes que los intermoleculares.

Para pensar

Te has preguntado por qu la ropa o tu cuerpo se seca al airelibre con o sin sol? Qu le ocurre al agua que moja la ropa o elcuerpo, por qu es ms rpida con sol que sin sol?

Media de evaporacion potencial 1979-95

(W/m2/s)

0 100 200 300 400 500 600 700 8

La evaporacin potencial est definida como lacantidad de agua que puede ser evaporada dondese encuentre disponible. En el mapa destacanlas zonas desrticas ya que su potencial deevaporacin es muy alto.


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Agua: Un solvente como pocos


Otra de las caractersticas principales del agua es que disuelvemuchas y muy variadas sustancias, de tal manera que el mares una inmensa solucin de diversos solutos (por ejemploO2, NaCl, entre muchos otros). El agua es considerada pormuchos como el solvente (disolvente) perfecto. Sin duda, elagua es el solvente ms comn de nuestro planeta y es capaz

de disolver muchas sustancias, pero no todas.Los compuestos inicos como el NaCl y covalentes polarescomo el HCl son generalmente solubles en agua y en solventescon propiedades similares a ella, mientras que los compuestoscovalentes no polares (hidrocarburos) lo son en solventessimilares a los aceites. Al agua y a los solventes similares seles denomina polares, mientras que al aceite y a aquellos quese le parecen se les denomina no polares. Los lquidos polares,agua y alcohol, por ejemplo, son solubles (miscibles) entres. De igual manera son miscibles entre s los no polares, porejemplo, aceite y kerosene, pero el aceite y el agua soninmiscibles, pues el primero es polar y el segundo no.

Solubilidad en agua

Otro punto importante es que a pesar de que hay compuestosmuy solubles en agua, como la sal y el azcar, su solubilidadno es ilimitada. Ella depende de la naturaleza qumica delsoluto y de la temperatura. Puedes decir dnde es ms fcilpreparar agua de azcar, en agua helada o en agua atemperatura ambiente?

En el caso de solutos gaseosos, la solubilidad tambin dependede la presin. A diferencia de lo que ocurre con la mayorade los slidos en agua, que su solubilidad crece con el aumentode la temperatura, ocurre lo contrario con los gases. Sabes

cundo se libera ms gas de una malta, cuando la abres frao cuando lo haces a temperatura ambiente?

Por cada temperatura existe un mximo de soluto que sepuede disolver en una cantidad determinada de agua. A estemximo se le conoce como solubilidad de un soluto a dichatemperatura y se expresa generalmente en gramos de solutopor cada 100 g de agua. Se dice entonces que la solucinest saturada a dicha temperatura. Mientras que por debajode este valor la solucin es insaturada o no est saturada ala temperatura considerada.

Cuando una solucin saturada de un slido es enfriadacuidadosamente llega a contener ms soluto de la que el

agua puede disolver a esa temperatura. En estos casos sedice que la solucin est sobresaturada. Esta es una condicininestable de las soluciones ya que si se la agita bruscamente,si se raspan las paredes del envase que la contiene con unagitador de vidrio o si se le agrega un cristal de la sustanciaque se est disolviendo, todo el exceso de soluto abandonarla solucin dejando en ella slo la cantidad de soluto quepuede disolver el disolvente (agua en este caso) a esatemperatura. Despus de la precipitacin del exceso de soluto,quedar una solucin saturada y en el fondo soluto slido.

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Dissolving.Cai Xiaohua, pintor chino.

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