El agua, un compuesto anómalo

El agua es el principal componente del cuerpo humano, que posee 75% de agua al nacer y cerca del 65% en la edad adulta.

Aproximadamente el 65% de dicha agua se encuentra en el interior de las células y el resto circula en la sangre (plasma) y baña los tejidos.

Es importante tener en cuenta que los organismos de todos los seres vivos están compuestos en una alta proporción por agua, siendo que esta es la que compone los músculos, órganos y los diferentes tejidos.

El agua es responsable de que todos los tejidos desarrollen sus funciones y capacidades de manera efectiva, porque proporciona el medio en el que se manejan las Biomoléculas y viajan a través de ella en todo el organismo. El organismo está basado en este fluido que entre otras cosas hace de medio de comunicación química.

Sin embargo, dentro de los compuestos naturales, el agua posee propiedades anómalas; la mayoría debido a la formación de múltiples "puentes hidrógeno" (que le otorga una elevada polaridad) entre sus moléculas; y gracias a estas propiedades extrañas es que existe la vida como la conocemos:

[Introducción]

Recordemos algunas características de la molécula; sabemos que es un compuesto covalente y ya estudiamos su fórmula, estructura de Lewis y Geometría Molecular.

ESTRUCTURA MOLECULAR
En la molécula del agua, el átomo central está rodeado de cuatro pares de electrones, dos no compartidos y dos forman enlaces covalentes simples.

GEOMETRÍA ELECTRÓNICA y MOLECULAR
La geometría electrónica es tetraédrica pero la presencia de los dos pares no compartidos hace que el ángulo de enlace sea menor de 109,5º, aprox. 104º con una longitud de enlace "H-O" de 0.0097nm. La Geometría Molecular, en cambio es Angular por poseer dos pares de electrones no compartidos; tal y como predice TrePEV.

MOMENTO DIPOLAR
La diferencia de electronegatividad entre O e H es 1,4 en la escala de Pauling, da una polaridad en el enlace orientando la carga negativa hacia el O, pero además como es angular genera un dipolo permanente del orden de 1.86 debyes. Es una molécula polar.

FUERZAS INTERMOLECULARES

Si recordamos, cuando tenemos átomos de hidrógeno enlazados a átomos muy electronegativos como el oxígeno se presenta la denominada Fuerza Puente Hidrógeno, de una importante intensidad para ser enlace del tipo físico. Cada molécula de agua puede formar un máximo de 4 Puentes Hidrógeno intermoleculares con otras moléculas de agua, como ocurre en el hielo común. Esta característica la hace diferente de otras moléculas que también pueden formar puentes H, pero no tal cantidad. Esto provoca variaciones muy marcadas en las propiedades físicas de la sustancia

Los átomos de hidrógeno no solo están unidos covalentemente a sus átomos de oxígeno, sino que también son atraídos hacia otros átomos de oxígeno cercanos. Esta atracción es la base de los enlaces de "puente hidrógeno".

[Propiedades "Especiales" del Agua]

Todas las propiedades que fuimos analizando en el punto anterior, llevan al agua a tener propiedades bastante particulares (en comparación con otras sustancias).

PROPIEDADES “INUSUALES”

1. Densidad del sólido es menor que la del líquido. 2. Puntos de Fusión y Puntos de Ebullición relativamente altos. 3. Tensión Superficial alta. 4. Calor Específico muy alto. 5. Solvente Universal. 6. Molécula pequeña que puede penetrar en los retículos cristalinos. 7. Ni muy ácida ni muy alcalina; es neutra, su pH es 7 en condiciones normales.

[Las 3 fases del agua]

ESTADO GASEOSO
No hay asociación “rígida” de moléculas, los Puentes hidrógeno no son relevantes debido a la gran distancia en las que están alejadas las moléculas.
ESTADO LÍQUIDO
En este estado, todas las moléculas de agua tienen al menos un enlace de hidrógeno con las moléculas de agua vecinas sin que efectivamente haya moléculas de agua libres en condiciones ambientales (es decir, moléculas sin enlaces de hidrógeno). Estas moléculas “libres” se podrán alejar y aumentar el volumen. La existencia aún de Puentes H nos explica su alto calor específico.
ESTADO SÓLIDO
Aunque posee polimorfismos, su estado más común es el llamado "Hielo I". Aquí, cada  “O” está unido a 4 “H”, 2 por unión covalente y 2 por puente H. Se forman anillos hexagonales con estructura “cavernosa” aumentando el volumen del sólido respecto al líquido. El aumento del volumen se traduce en disminución de la densidad.

[La expansión del agua]

Al fundirse el hielo se rompen algunas uniones puente de hidrógeno y esto permite una mayor aproximación entre las moléculas del agua, dando como resultado que el volumen molar del líquido sea menor que el del hielo.

A 0ºC un mol de agua líquida ocupa 0,0180 dm³ y un mol de hielo (agua sólida) 0,0196 dm³.

¡Es decir, el agua es una de las pocas sustancias donde el sólido ocupa mayor volumen que el líquido!

Como puede verse en este Diagrama de fases, la curva de equilibrio sólido-líquido es diferente al caso común.

Este hecho tan peculiar, explica por qué, cuando nos olvidamos de retirar a tiempo la botella de agua del congelador, ésta se rompe, pues al congelarse su contenido ocupa un volumen mayor y el líquido rígido no soporta la expansión.

En este video se demuestra que tan poderoso es el cambio a estado sólido, en donde se congela agua encerrada en un tubo.

[Importancia ecológica de la expansión]

Considérese, por ejemplo, los cambios de temperatura en el agua de un lago en un clima frío:

A medida que la temperatura del agua cerca de la superficie disminuye, aumenta su densidad. Así el agua más fría se sumerge hacia el fondo, mientras el agua caliente, que es menos densa, sube hacia la parte superior. 

Este movimiento normal de convexión, continúa hasta que la temperatura global llega a 4 ºC. Debajo de esta temperatura, la densidad del agua empieza a disminuir al disminuir la temperatura.

Con un enfriamiento mayor , el agua comienza a congelarse en la superficie.

La capa de hielo formada no se sumerge porque es menos densa que el líquido.

De esta forma actúa como un aislante térmico para el agua que queda debajo de la capa.

 

Si el hielo fuera más pesado, se iría al fondo del lago cada vez que el agua se congelara en la superficie. La mayoría de los organismos vivos que existen en el cuerpo del agua no sobrevivirían.

[Agua como solvente]

 

Es frecuente que escuchemos decir: "el agua es el solvente universal". Esto puede dar a entender que el agua "lo disuelve todo". Pero sabemos que no es así.

 

En realidad, afirmar que el agua es el solvente universal significa que el agua forma parte de muchas soluciones. Pues existen muchas soluciones acuosas tanto en la naturaleza como preparadas por el hombre.

 

Todos los seres vivos están constituidos por un elevado porcentaje de agua. Ella es el "vehículo" que transporta los nutrientes y los desechos celulares.

 

Por lo dicho anteriormente, podemos afirmar que el agua además de ser un "solvente universal" es el "solvente vital", porque sin ella la vida no sería posible (por lo menos la vida tal como la conocemos).

 

De las soluciones acuosas preparadas por el hombre podemos mencionar la salmuera, los caldos, bebidas obtenidas por infusión (té, café, mate), vinagre, algunos medicamentos, bebidas, jugos, entre otras.

[Extraído de http://blogdequimica4.blogspot.com.ar/2011/05/el-agua-solvente-universal.html] 

A pesar de que a veces la llaman "Disolvente universal" no puede disolver todo; por ejemplo el caso del aceite o el vidrio...

Como habíamos estudiado previamente, con la geometría, polaridad y las fuerzas intermoleculares; podemos predecir que el agua es una sustancia con moléculas polares y como "lo semejante disuelve a lo semejante" (de forma general) podemos predecir que será un excelente soluto de sustancias fuertemente polares, como lo son muchos compuestos iónicos; pero no otros con polaridad baja (como algunos aceites).

Entonces, a pesar de ser llamada “Solvente universal” no disuelve todas las sustancias, no obstante, si puede hacerlo en muchas de ellas al ser tan común en la corteza terrestre; si en los ejercicios que estudiamos de soluciones no aclara cuál es el solvente, lo más probable es que sea una disolución acuosa.

[Conductividad]

Curiosamente, el agua pura no es buena conductora de electricidad, al ser un compuesto covalente. En cambio el agua salada si lo es, debido a que posee iones libres en la solución; y estos forman parte del agua corriente. Un agua destilada correctamente (que se acerca a ser agua pura) no es una buena conductora de la electricidad.

Puede verse claramente cómo cambia su conductividad con el agregado de una sal

[Agua Salada]

Como dijimos previamente, las sales son solubles en agua. La más conocida  de las sales es la sal común, que es esencialmente Cloruro de Sodio. En la corteza terrestre, las masas de agua rara vez aparecen puras sino que son soluciones. A estas soluciones de sales minerales, se las suele rotular con la Salinidad.

Las aguas superficiales son más saladas porque la evaporación hace que la concentración de sal aumente. El contenido salino de muchos lagos, ríos, o arroyos es tan pequeño, que a esas aguas se las denomina agua dulce. El contenido de sal en agua potable es, por definición, menor a 0,05 %. Si no, el agua es señalada como salobre, o definida como salina si contiene de 3 a 5 % de sal en volumen. Por encima de 5% se la considera salmuera. El océano es naturalmente salino con aproximadamente 3,5 % de sal. Algunos lagos o mares son más salinos. El mar Muerto, por ejemplo, tiene un contenido superficial de alrededor del 15 %.

Recordemos que la solubilidad del NaCl en el agua en condiciones ambientales, es de unos 35 g/litro

[Agua de Mar]

Es una solución basada en agua que compone los océanos y mares de la Tierra. Es salada por la concentración de sales minerales disueltas que contiene, un 3,5 % o 35 g/L como media, pero no contiene solamente NaCl, sino que también hay sales de y calcio, potasio.

 En el océano el ion cloruro es el anión más abundante en la mezcla de elementos disueltos.

La densidad media en superficie es de 1,025 g/ml, siendo más densa que el agua dulce y el agua pura.

 

A mayor contenido en sal más baja su punto de congelación, por lo que el agua del mar se convierte en hielo bajo los −2 °C, si bien se ha registrado una corriente en la Antártida a −2,6 °C; tal y como predicen las Propiedades coligativas.

 

El océano contiene un 97,25 % del total de agua que forma la hidrosfera.

 

El agua oceánica es ligeramente alcalina, y el valor de su pH está entre 7.5 y 8.4 y varía en función de la temperatura; si esta aumenta, el pH disminuye y tiende a la acidez.

El agua de mar tiene demasiadas sales minerales disueltas para nuestro consumo. Debido a la presencia de estas sales, el agua del mar es salobre y NO es potable para el ser humano y su ingestión en grandes cantidades puede llegar a provocar la muerte.

[Métodos de Desalinización]

El 97,5 % del agua que existe en nuestro planeta es salada y sólo una cantidad inferior al 1 % es apta para el consumo humano. Conseguir la potabilización del agua del mar es una de las posibles soluciones a la escasez de agua potable. 

Mediante la desalinización del agua del mar se obtiene agua dulce apta para el abastecimiento y el regadío; hay muchos métodos diferentes para este proceso (incluyendo métodos electromagnéticos, con membranas semipermeables, etc) nosotros mencionaremos sólo dos por ahora.

DESALINIZACIÓN por DESTILACIÓN
La desalinización por destilación se realiza mediante varias etapas, en cada una de las cuales una parte del agua salada se evapora y se condensa en agua dulce. La presión y la temperatura van descendiendo en cada etapa lográndose concentración de la salmuera resultante. El calor obtenido de la condensación sirve para calentar de nuevo el agua que hay que destilar.

DESALINIZACIÓN por ÓSMOSIS INVERSA

La ósmosis inversa consiste en hacer pasar por la membrana semipermeable el disolvente (en este caso agua) desde el lado donde está la solución más concentrada (el agua de mar, con sales disueltas), hacia el lado contrario, sin que pasen las sales. En este caso se requiere energía, para hacer presión, que será ligeramente superior a la presión osmótica que haría pasar el solvente de baja concentración hacia el lado de la alta concentración.

Fuentes

• Universidade Sao Paulo; "Hydrogen Bonding in Water".
• http://blogdequimica4.blogspot.com.ar/2011/05/el-agua-solvente-universal.html