EL OXIGENO Y EL AGUA

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TEMA V

EL OXIGENO Y EL AGUAGeneralidades.-

El oxgeno que es el elemento ms abundante sobre la tierra, es uno de los pocos elementos que suelen discutirse con detalle en los textos. Es el componente principal de la atmsfera que sostiene la vida y mantiene la combustin, siendo el componente principal del agua y de las rocas y minerales, un componente esencial de las grasas, hidratos de carbono y protenas y es el ms abundante constituyente de los oxicidos ordinarios como el H2SO4, HNO3, H3PO4, etc., es el primer elemento del sexto grupo (VIA), que corresponde al segundo periodo de la Tabla Peridica de los Elementos.

El oxgeno es un elemento que participa en la formacin de casi todos los materiales que constituyen el mundo, incluyendo al ser humano; los tomos de oxgeno y silicio conforman el armazn de la tierra, la luna y casi todos los planetas internos y los satlites del sistema solar y que sin embargo no se los utiliza como fuente de oxgeno, en este entramado se encuentran embebidos iones metlicos tales como el aluminio, hierro, calcio, magnesio y otros, todos conforman el manto y la corteza terrestre, por encima se encuentra la hidrosfera (ocanos, mares, lagos y ros) con su oxgeno combinado formando agua, la atmsfera que contiene oxgeno molecular gaseoso, el que se disuelve en el agua proporcionando lo necesario para la vida acutica; tambin forma parte de un gran nmero de compuestos orgnicos como alcoholes, aldehdos, cetonas, cidos, teres y derivados de todos ellos; en fin, el oxgeno es tan esencial para la vida que no podemos imaginar la vida en otros planetas o en otro sistema solar sin oxgeno.

Fue descubierto por Joseph Priestley en el Siglo XVII, aunque el primero en informar sobre el aislamiento del gas fue Cornelius Drebble, Priesley se merece el crdito por sus estudios y pruebas realizadas. Este descubrimiento termin con la teora del flogisto que explicaba hasta entonces el proceso de combustin.

El oxgeno presenta los istopos 16O (99,78%), 17O (0,04%) y 18O (0,20%), ninguno de ellos es radiactivo; el oxgeno forma molculas diatmicas, las cuales son dirradicales es decir tiene dos electrones desapareados en dos orbitales moleculares antienlazantes *2py y 2pz, estos electrones desapareadas condicionan su paramagnetismo y son la causa de la reactividad relativamente mayor de la molcula de oxgeno frente a la del hidrgeno. En la atmsfera el oxgeno se forma constantemente como producto de la asimilacin de CO2 por las planteas verdes y en la atmsfera superior por descomposicin fotoltica del vapor de agua. hasta hace poco no se haba apreciado variaciones en el contenido de oxgeno de la atmsfera, sin embargo, en los ltimos aos se ha observado una disminucin de oxgeno, lo que puede ser atribuido al intenso crecimiento poblacional en el mundo, seguido adems de la creciente industrializacin.

El oxgeno presenta dos formas alotrpicas que son el oxgeno diatmico comn (O2) y el oxgeno triatmico o tambin ozono (O3).Propiedades fsicas del oxgeno.-

El oxgeno es un gas incoloro, inodoro e inspido, pero en estado lquido es celeste y en estado slido es azul, su punto de ebullicin es de 183C y su punto de fusin es 219C, es un gas soluble en agua en pequea cantidad, pero la solubilidad aumenta con el aumento de presin y disminuye al aumentar la temperatura (a 0C y 1 atm de presin, se disuelven aproximadamente 7 mg/L). La densidad del oxgeno a 20C es de 1,331 g/ml y es 1,107 veces ms pesado que el aire, su potencial de ionizacin es de 1314 kJ/mol y su electronegatividad en la escala de Pauling es de 3,5. Su estructura electrnica indica que la envoltura est conformada por 8 electrones distribuidos en la forma 1s2, 2s2, 2p4.

Propiedades qumicas del oxgeno.-

El oxgeno se caracteriza por su alta reactividad y capacidad de combinarse directamente con muchos elementos y compuestos; los nicos elementos con los que no se combina directamente son los gases nobles, el oro y el platino y muy dificultosamente lo hace con los halgenos. Las condiciones de reaccin, como la naturaleza de los productos dependen mucho de la naturaleza de las sustancias reaccionantes, en muchos casos es necesario calentar la mezcla para iniciar la reaccin, sin embargo, una vez iniciada la reaccin, sta continua en forma exotrmica, en algunos casos los productos alcanzan la incandescencia, en otros casos llegan a ser reacciones explosivas. El oxgeno molecular es un buen agente oxidante, en especial en solucin acuosa o en medios hmedos, no es combustible pero si comburente, es decir, fomenta la combustin. El DO (oxgeno disuelto) es una medida de la salud de una fuente de agua, un nivel bajo indica la falta de oxgeno para la vida acutica debido tal vez al crecimiento excesivo de algas, o adicin de agua caliente proveniente tal vez de industrias. El DBO (demanda biolgica de oxgeno) es lo contrario del DO, indica la demanda de oxgeno por parte de organismos biolgicos.Obtencin.-

A nivel de laboratorio se puede obtener por descomposicin calentando algunos compuestos como KClO3 o por descomposicin cataltica del H2O2 que reacciona en presencia de MnO2:

2KClO3 2KCl + 3O22H2O2 H2O + O2 El oxgeno se produce industrialmente a gran escala a partir del aire lquido. En la licuacin del aire a presiones muy altas, se utiliza el hecho de que un gas no ideal, en general se enfra cuando se le deja expansionar en forma brusca, desde una regin de alta presin a otra de ms baja presin, ya que durante la compresin se ejerce un trabajo contra las fuerzas de atraccin entre las partculas de un gas, al que se le llama efecto Joule Thompson. Primeramente se comprime y se preenfra el aire, produciendo posteriormente una expansin obtenindose as aire licuado, el cual es destilado para separar sus componentes, obtenindose as el oxgeno adems de otros productos como el nitrgeno y los gases nobles. Tambin es posible obtener oxgeno por electrlisis del agua acidulada con cido sulfrico o de soluciones diludas de KOH, quedando el oxgeno en el nodo, el oxgeno as obtenido es de altsima pureza, pero este mtodo solo se justifica en regiones en que se dispone de energa elctrica barata, el oxgeno obtenido se comprime y se entrega en garrafas especiales.El oxgeno es un reactivo industrial importante, que es usado principalmente en la industria del acero, tambin se usa en la obtencin de otros compuestos como el cido ntrico a partir de amoniaco.

El ozono.-

Cuando el oxgeno es sometido a descargas elctricas o a la accin de luz UV ( = 1850 ) se forma ozono, que es una forma especial (forma alotrpica) o modificacin del oxgeno, tambin puede producirse por electrlisis de una solucin de cido sulfrico moderadamente concentrado con densidad andica muy alta. Es muy posible encontrar ozono en lugares donde existe altos voltajes, fotocopiadoras, impresoras lser, etc., aunque las nuevas tecnologas estn logrando minimizar este problema, en un lugar cerrado solo es permitido una concentracin mxima de 0,1 ppm. La atmsfera contiene mucho ozono en la capa que se extiende desde 10 a 30 km de altura; como el ozono absorbe muy fuertemente la luz UV (e IR), esta capa de ozono es de gran importancia como pantalla protectora contra la radiacin UV para la tierra.

El ozono se obtiene a escala industrial haciendo pasar una corriente de oxgeno puro a travs de una descarga elctrica entre los tubos concntricos de un aparato llamado ozonizador, para este proceso no se usa aire para evitar la formacin de xidos de Nitrgeno, ya que este gas se encuentra en gran cantidad en el aire.El ozono es utilizado en el blanqueado de papel, en la purificacin del agua y en la industria alimenticia eliminando las bacterias.Propiedades fsicas del ozono.-

El ozono es un gas azulado, de olor caracterstico, proviene del griego ozein (oler) cuyo punto de ebullicin es 111,5 C, se solidifica a 249C formando un slido de color violeta negro. La formacin de ozono es una reaccin fuertemente endotrmica:

3O2 2O3

Hf = +34,2 kcal/mol

la molcula de O3 es simtrica y angular, el hecho de que las dos distancias O O sean de la misma longitud significa que en este caso los pares electrnicos se encuentran deslocalizados sobre los tres tomos (en el lenguaje de los enlaces, esto significa una mesomera entre dos estructuras lmite o energticamente equivalentes):

O

O

O O O O

El Ozono se descompone con lentitud a temperatura ambiente y presin atmosfrica, pero a presiones altas y en presencia de indicios de impurezas orgnicas se descompone explosivamente. Es un agente oxidante muy fuerte (EO2/O3 = + 1,90V), el ozono acta como veneno en concentraciones mayores. Se utiliza para desinfectar las aguas potables y en la ozonizacin de compuestos no saturados (para aclarar cuestiones estructurales). Su accin sobre la goma (caucho), es fuertemente agresiva a causa de la adicin de molculas de O3 sobre los dobles enlaces, a los que logra romper.

En la atmsfera se tiene tambin indicios de otra modificacin del oxgeno que es el O4, que est formado por dos molculas de O2 enlazadas por fuerzas muy dbiles, esta modificacin se encuentra ms abundante en el oxgeno lquido. Este fenmeno de que las sustancias se presenten en formas diferentes se llama polimorfismo, en los elementos como es el caso del oxgeno se le llama alotropa.

Oxidos.-

Se conocen compuestos del oxgeno con todos los elementos excepto con los gases nobles ligeros (He, Ne, Ar). A excepcin de algunos compuestos oxigenados de los halgenos y de los metales nobles, todos los compuestos del oxgeno se obtienen directamente por sntesis.

Los metales alcalinos y alcalinotrreos y los metales trreos pesados forman xidos salinos, que contienen iones O2 y dan origen a la formacin de redes inicas cristalinas (cloruro sdico, corindn y otras), solamente son muy solubles en agua los xidos de los metales alcalinos, los dems xidos salinos son difcilmente solubles en agua como consecuencia de su elevada energa reticular. El ion xido es una base muy fuerte, no es capaz de subsistir en solucin acuosa y reacciona completamente con el agua de acuerdo con la ecuacin:

O2 + H2O OH + OHLos xidos salinos insolubles en agua se disuelven en cidos, sin embargo, en determinados casos (por ejemplo el MgO), los xidos que se obtienen por combustin directa del metal son muy resistentes a la accin de los cidos.

La mayora de los metales de transicin forman varios xidos que, en general, no son tpicamente salinos, sino que forman un intermedio entre el carcter salino y diamantino o entre el carcter salino y el voltil. Estos xidos son en general, insolubles en agua y an en cidos diluidos, algunos como el ZnO forman hidroxocomplejos como el [Zn(OH)4] 2, otros como los xidos del hierro o de titanio, no tienen composicin constante. En el proceso de reduccin de metales a partir de sus xidos, por diferentes mtodos, como la tostacin (para separar los sulfuros), se debe tener cuidado con la seleccin del agente reductor para evitar que se forme aleaciones con el metal. Los xidos covalentes son los que se obtienen como producto de combustin como el CO2 o el H2O, adems de los xidos del Azufre, Telurio y Selenio. Agua.-

El agua es un compuesto que posee una gran importancia, gracias a sus propiedades fsicas y qumicas, no solo para la qumica como ciencia, sino tambin para la naturaleza viva y muerta. Generalmente no se obtiene agua industrialmente, solo se trata la existente en la naturaleza par purificarla o tratarla para su consumo de acuerdo al uso que se le vaya a dar, es un lquido incoloro, inodoro e inspido. El carcter altamente polar del agua, su rango lquido, su bajo costo econmico y algunas otras propiedades hacen que sea el solvente universal por excelencia, que para las sustancias inicas es el mejor, gracias al poder del agua de solvatar a una serie de iones y de ionizar una gran cantidad de sustancias que presentan enlaces covalentes altamente polares. Sus propiedades fsicas y qumicas pueden explicarse como consecuencia de la estructura electrnica de la molcula de H2O y de su capacidad para formar puentes de hidrgeno muy estables.

Propiedades fsicas.-

Las propiedades fsicas del agua son las siguientes:

Punto de fusin

273,15K, 0C

Punto triple

273,16K, 0,01C

Punto de ebullicin

100C

Presin crtica

217,7 atm

Temperatura crtica

374,0C

Entalpa de formacin (Hf)

-68,317 kcal/mol

Entalpa de fusin

1,346 kcal/mol

Entalpa de vaporizacin

9,717 kcal/mol

Capacidad calorfica (a 25C)

17,996 cal/grado*mol

Constante dielctrica (a 25C)

78,54

Tensin superficial frente al aire (a 25C)

71,97 din/cm

Viscosidad (a 25C)

0,8937 centipoises

Conductividad (a 18C)

4x108 ohm1 cm1

Producto inico (a 25C)

1,002x1014

En el hielo, los tomos de O se encuentran tetradricamente rodeados por cuatro tomos de Hidrgeno de los que dos se encuentran enlazados por covalencias normales y los otros dos por puentes de Hidrgeno. Esta ordenacin da una estructura cristalina muy voluminosa y abierta, al fundirse el hielo, se pierde esta ordenacin reticular y las molculas se pueden unir ms estrechamente, de modo que el agua a 0C posee una densidad superior a la del hielo. Al seguir calentando, existe una tendencia de las molculas de agua a aumentar el volumen, es decir de ocupar el mximo de volumen y por otra parte, el orden se perturba cada vez ms haciendo que las molculas se ordenen acercndose an ms, como consecuencia de estas acciones contradictorias, el agua presenta un mximo de densidad a 4C lo que impide que se produzca una congelacin total de una masa de agua, an siendo poco profunda.

El agua natural nunca es pura, incluso el agua de lluvia contiene O2 y CO2 disuelto, las aguas de cualquier fuente tiene adems de estos gases sales como Ca(HCO3)2, CaSO4, MgCl2, etc. lo que constituye la llamada dureza del agua; mediante destilaciones reiteradas se puede obtener agua completamente pura con el propsito de usarla a nivel de anlisis de laboratorio.

El enlace fuertemente polar entre hidrgeno y oxgeno solo puede disociarse mediante el aporte de cantidades de considerables de energa, por ejemplo mediante electrlisis o bien por calefaccin a altas temperaturas (a 2000C se disocia solo un 2% de vapor de agua en hidrgeno y oxgeno).

Las fuentes naturales del agua son los mares, lagos, ros y corrientes subterrneas, se trata de agua con impurezas que provienen de materia slida en suspensin, sales y gases disueltos, materia orgnica y microorganismos. El agua de mar es la ms abundante pero la cantidad de sales disueltas hacen que sea econmicamente inviable su purificacin. Los slidos en suspensin pueden separarse fcilmente por filtracin a travs de mallas o pasando el agua a travs de lechos de grava y arena, tambin es conveniente usar sustancias que formen gelatinas que engloben las impurezas como el alumbre KAl(SO4)2 que por hidrlisis forma Al(OH)3 que es gelatinoso e insoluble.Los microorganismos se eliminan por reacciones qumicas utilizando: KMnO4 en medio cido, que se aplica cuando se debe destilar el agua posteriormente.

Por adicin de cloro, lavandina u ozono, sin destilacin posterior.

Como mencionamos anteriormente, la dureza del agua se debe a la presencia de carbonatos, bicarbonatos y sulfatos de calcio y magnesio, tambin a contenidos elevados de cloruros de sodio y potasio; esta dureza se manifiesta por la precipitacin de los jabones, evitando que hagan espuma, causan problemas en los calderos, en caeras de agua caliente o vapor en los que producen sarro que se deposita en las paredes.

La dureza puede ser temporal, formado por bicarbonatos de calcio y/o magnesio, dureza permanente, formada por sulfatos, carbonatos y otras sales insolubles, por ltimo la dureza salina, formada por cloruros de sodio y potasio en concentraciones elevadas. Se puede eliminar la dureza por varios mtodos:

Por ebullicin; transformando bicarbonatos en carbonatos de calcio y magnesio insolubles en agua, sin embargo no se eliminan los sulfatos. El mtodo de Clark, que consiste en aadir cal apagada para precipitar los bicarbonatos en forma de carbonatos, para este mtodo se debe conocer el grado de dureza para no exceder la cantidad de cal aadida que puede formar sales de calcio.

El uso de Soda Solvay, que precipita bicarbonatos y carbonatos, no elimina los sulfatos.

Por destilacin, que elimina todas las sales disueltas, sin embargo es un mtodo demasiado caro.

Uso de Calgn (polifosfato de sodio (NaPO3)6) disminuye la concentracin de cationes debido a la formacin de complejos del tipo M2P6O18). Uso de intercambiadores, que elimina todo tipo de durezas, los intercambiadores son sustancias que intercambian cationes de calcio y magnesio por sodio y potasio, adems de aniones como bicarbonatos, carbonatos y sulfatos por iones oxihidrilos, hidrogeniones y cloruros. Las zeolitas pueden ser naturales o resinas sintticas, una vez agotadas, estas sustancias pueden ser regeneradas o reactivadas usando soluciones de NaOH y HCl.

Agua pesada.- Es un tipo de agua que en lugar de hidrgeno usa Deuterio lo que implica algunos cambios en sus propiedades, reacciona igual que el agua liviana, sin embargo son ms lentas, el agua pesada se usa en reacciones nucleares como moderador, ya que desacelera los neutrones producidos por reacciones nucleares.En los compuestos inorgnicos, el agua se presenta ligada qumicamente, sin embargo, la diferencia en sus propiedades nos hace pensar que se presenta ligada de diferentes maneras, estas se presentan como: Agua de constitucin; en este caso no se presenta como molculas de agua, pero si puede separarse por calentamiento, se presenta como hidrxidos y como cidos oxcidos.

Agua de coordinacin; en este caso, las molculas de agua rodean a los cationes metlicos en la esfera de valencia formando ligandos, en los que los enlaces son covalentes siendo el oxgeno el que aporta el par de electrones. Agua ligada al anin; se presentan en los cristales tambin en forma estequiomtrica, sin embargo al disolver los cristales en el agua, estas molculas pasan a formar parte del disolvente, es tpico en los sulfatos como el CuSO45H2O.

Agua reticular; tambin en este caso la proporcin es estequiomtrica, las molculas de agua ocupan posiciones definidas en la red cristalina, sin embargo no estn ligadas ni al catin ni al anin en forma directa, las molculas se pierden al disolver la sal en agua, pero las vuelve a captar al cristalizar nuevamente. Agua zeoltica; es habitual en las zeolitas que son aluminosilicatos, en ellas, el agua ocupa posiciones mas o menos al azar en la red cristalina y a medida que ocurre deshidratacin por calor, las sustancias que la contienen no sufren modificaciones ni compresin, tambin se presenta en esta forma en las arcillas y algunas sales bsicas.

Coloides hidratados; se trata de cantidades indefinidas y no estequiomtricas, al deshidratarse, lo hace con continuidad y se vuelve a hidratar de la misma manera muy fcilmente, no existe uniones qumicas entre el agua y el compuesto que las capta.

Perxidos y superxidos.- Es una creencia ampliamente extendida que en la combustin ordinaria, el O2 molecular del aire se convierte en xidos covalentes y que la oxidacin de los metales da siempre un ion de O2. Sin embargo, si la llama de un soplete oxihdrico se dirige sobre un bloque de hielo, se encuentre que el agua que se obtiene tiene algo de perxido de hidrgeno (H2O2), si se deja el sodio que arda en un exceso de aire, da origen a una mezcla formada por el xido normal Na2O y el perxido Na2O2 con un 20% aproximadamente de este ltimo, si esta mezcla pasa de 400C se convierte totalmente en perxido, normalmente se usa este mtodo para su obtencin industrial, el Na2O2 se usa en disolucin acuosa para blanquear tejidos y pasta para papel, aunque en disolucin no permanece como perxido sino que forma su hidrxido:

Na2O2 (s) + 2H2O(l) 2NaOH(aq) + H2O2El H2O2 o perxido de hidrgeno, es un lquido incoloro, aunque toma un color azulado en capas espesas, cuyo punto de fusin es de 0,4C y el punto de ebullicin de 158C; para evitar la oxidacin del perxido de hidrgeno, se obtiene el mismo como disolucin al 30%. El perxido de hidrgeno contiene dos enlace de H y O polarizados en el mismo sentido y por tanto resulta bastante inestable, las soluciones concentradas o en estado puro tienden a sufrir una descomposicin explosiva, es un agente oxidante fuerte, sin embargo muchas reacciones ocurren muy lentamente, por este poder oxidante se lo usa como decolorante (pelo, cuero, paja, etc.) y en la propulsin de cohetes, en algunos casos se lo uso como agente reductor frente a sustancias con potenciales normales positivos como el KMnO4. El perxido de hidrgeno es un cido sumamente dbil, aunque sea mucho ms cido que el agua, el ion [O2]2 es una base fuerte an cuando sea ms dbil que el ion xido. Los metales alcalinos y alcalino trreos forma perxidos por combustin con exceso de aire, estos son sales blanquecinas o amarillentas. Por otra parte, el potasio y los metales alcalinos ms pesados se queman en el aire formando superxidos en los cuales se encuentran aniones (O2) que son paramagnticos. Los superxidos son sustancias dotadas de una gran capacidad de reaccin; con el CO2 y con el H2O formando O2, de acuerdo a las reacciones:

4MeO2 + 2CO2 2Me2CO3 + 3O22MeO2 + 2H2O 2MeOH + H2O2 + 3O2en estas reacciones se basa la utilizacin de estos superxidos en los viajes espaciales para retener o eliminar el CO2 y el H2O producidos por la respiracin y producen O2, el ion superxido se puede imaginar como una molcula de O2 que ha ganado un electrn, en tanto que el in perxido es una molcula de O2 que ha ganado dos electrones.