GC 12 El agua

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Santa María
Guía N°12, Común.
El Agua.
El agua es un compuesto covalente, formado por Hidrógeno y Oxígeno (H2O).Puesto que
el Oxígeno es mas covalente que el Hidrógeno, el enlace O-H es covalente polar.
La electrolisis (aplicación de energía eléctrica, para lograr la descomposición de un
compuesto en sus elementos), permite determinar su composición. La reacción de electrólisis
está dada por:
2H2O(l) → 2H2 (g) +O2 (g)
Como resultado, el volumen de gas de Hidrógeno (H2) producido es el doble del volumen
de gas de Oxígeno generado (O2). Es decir:
Volumen de gas H2=2x Volumen de gas O2.
Volumen iguales de gas contienen igual número de moléculas si la temperatura y presión
son constantes.
Puentes de hidrogeno
La molécula de agua, al igual que muchos otros compuestos, posee una carga
negativa y positiva dentro de ella, lo que se conoce como dipolo. Esto se debe a
que los enlaces covalentes internos de la molécula (O-H), crean zonas donde se
forman cargas parciales positivas y negativas, que corresponden al protón del átomo
de hidrógeno, y los electrones desapareados el átomo de oxígeno, respectivamente.
En la figura se muestra una representación de la molécula de agua y la
polaridad que ésta posee, siendo la zona roja el polo de mayor
densidad electrónica, es decir, un lugar donde es más probable
encontrar un electrón. Y la zona azul una con menor densidad
electrónica.
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Lo que hace diferente al agua de otras moléculas polares, tales como el NH3 y HF, es
que cada átomo de oxígeno puede formar dos puentes de hidrógeno, uno por cada par de
electrones libres no compartidos.
En la imagen se muestra un puente de hidrógeno entre
dos moléculas de agua. Además se observa la diferencia
en el tamaño de un enlace sigma de la molécula de agua y
el de un puente de hidrógeno.
De esta forma, las moléculas de agua se enlazan en una extensa red
tridimensional, que en el caso del hielo es más ordenada y evita que las moléculas se
acerquen demasiado entre ellas, dejando cavidades en su estructura, lo que explica la baja
densidad del hielo. En cambio, en el agua líquida, a pesar que también se forman
puentes de hidrógeno, las moléculas se distribuyen en estructuras más compactas, con
menos espacios intermoleculares.
Comparativamente, la misma masa de agua ocupa un mayor volumen como hielo
que como agua líquida.
En la figura se muestra el arreglo tridimensional de las moléculas de
agua en estado sólido. Esto proporciona espacios vacíos entre las
moléculas de agua, lo que le confiere una menor densidad al hielo que
al agua líquida.
Como consecuencia de los Puentes de Hidrógeno, el agua posee las siguientes
características:
-
Alto punto de ebullición
Alto valor del calor de vaporización
Explica porque flotan los cubos de hielos y los icebergs.
Estabiliza la forma de moléculas biológicas grandes (proteínas, ácidos nucleicos).
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- En las proteínas los enlaces de hidrógeno ocurren con átomos de N y O.
Densidad del agua.
Como se mencionó anteriormente, el agua sólida (hielo) ocupa un volumen mayor que el
agua líquida. Como la densidad es masa por unidad de volumen:
Se deduce que la densidad del hielo es menor que la del agua. Por otra parte,
si se enfría el agua poco a poco su volumen disminuye hasta 4ºC, pero luego
empieza a aumentar hasta 0ºC, antes de congelar.
Con la densidad ocurre lo inverso, puesto que a 4ºC alcanza su máxima densidad, esto
se debe a que el volumen en este punto es mínimo. En la figura adjunta se puede apreciar
que el cambio en la densidad es muy
pequeño. Ciertamente, este comportamiento es
una anomalía.
Relación densidad del agua con la
Temperatura .
En la figura se puede apreciar que el cambio en
la densidad es muy pequeño.
Densidad [g/ml]
1
0,9998
La
curva
además
indica
que
este
comportamiento es una anomalía propia del
agua.
0,9996
0,9994
0
2
4
6
8
10
12
Temperatura [°C]
Tensión superficial.
Una de las propiedades importantes del agua es la tensión superficial, ésta se debe a las
fuerzas intermoleculares y los puentes de hidrogeno, los cuales le dan una resistencia para
aumentar de superficie. El efecto permite que algunos insectos al desplazarse por la superficie
del agua no logren hundirse.
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Cambios de fase.
Un cambio de fase es una transformación física que se caracteriza porque cambia el
orden molecular.
Por ejemplo, estructuralmente en la fase gaseosa las moléculas se mueven al azar de
manera desordenada, en cambio en la fase sólida, los movimientos están restringidos y
mantienen un cierto grado de ordenamiento reticular.
Para una sustancia en particular, los siguientes cambios de fase ocurren a una presión y
una temperatura determinada:





Condensación: es el paso de vapor a líquido.
Sublimación: es el paso directo de la fase sólida a la fase gaseosa.
Vaporización: es el paso de líquido a vapor.
Congelación: es el paso de la fase líquida a la fase sólida.
Fusión: es el paso de la fase sólida a la fase líquida.
La siguiente figura muestra un diagrama de fases Presión v/s
Temperatura para el agua; donde indica los tres estados de la
materia: sólido, líquido y gas. El punto en el cual coexisten las tres
fases se denomina punto triple, en este punto indica la existencia de
los tres estados del agua en equilibrio
Vaporización.
La vaporización es el proceso en el cual un líquido se transforma en un gas, a cualquier
temperatura, cuando la presión de vapor se iguala con la presión del sistema, en el caso de
que el sistema sea nuestro planeta, la presión del sistema será la atmosférica. Para que este
cambio de fase ocurra, las moléculas del líquido deben tener la suficiente energía para escapar
de la superficie, esta energía puede ser proporcionada, por una cocina a una olla con agua,
por la energía emitida por el sol al agua de un lago, etc. Si el sistema es cerrado, se llegará a
un equilibrio dinámico, ya que una parte de las moléculas condensarán (proceso inverso,
llamado condensación). Esto tiene lugar a la presión de vapor del líquido, la cual aumenta con
la temperatura.
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La presión de vapor está relacionada directamente con la magnitud de las fuerzas
intermoleculares que hay en el líquido. Si la atracción molecular es fuerte (en el caso del agua
las fuerzas intermoleculares son muy grandes), se necesita mucha energía para liberar a las
moléculas de la fase líquida. Por consecuencia, el líquido tiene una presión de vapor
relativamente baja.
En la tabla anterior se muestran algunas presiones de
vapor a distintas temperaturas.
Se observa que a la temperatura de 100 [°C] la presión
de vapor es de 760 [mm Hg], es decir, la presión
atmosférica, esto explica por qué el agua hierve a ésta
temperatura a nivel del mar y a menor temperatura en
la montaña.
En la imagen se muestra como un líquido (etanol),
debe alcanzar el equilibrio dinámico vaporizando
partículas de éste, generando así una presión de vapor
dentro del sistema.
Destilación.
La destilación es una técnica muy utilizada cuando se quiere separar los componentes
líquidos de una disolución. Se basa en las diferencias en sus puntos de ebullición, por lo tanto,
ésta no es eficiente si las temperaturas de ebullición son muy parecidas. Así, cuando se hierve
una disolución que contiene, por ejemplo, tres componentes, el vapor formado pertenece al
componente de menor punto de ebullición, esto se debe a que mientras el componente de
menor punto de ebullición cambia de fase la temperatura se mantiene constante hasta que se
termina de vaporizar el componente más volátil, posterior a esto la temperatura continúa en
ascenso, hasta alcanzar la temperatura de ebullición del segundo componente más volátil y el
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proceso continúa igual al anterior. Esto se repite hasta que se separan cada uno de los
componentes de la mezcla.
En la imagen se muestra una
destilación de una solución de
agua con sal. El vapor asciende
por el balón de destilación y
condensa en las paredes de un
tubo refrigerante colocado a la
salida del balón y el agua escurre
hacia un balón colector.
En consecuencia, esta técnica comprende dos etapas: transformación del líquido en
vapor (ebullición) y condensación del vapor. El agua destilada no contiene sustancias
disueltas.
Proceso de purificación del agua.
El proceso de potabilización consiste en someter al agua de ríos o lagos, que en muchos
casos contiene contaminantes naturales o artificiales, a una serie de tratamientos físicos y
químicos, con el fin de hacerla apta para el consumo humano.
En la purificación y potabilización del agua hay normalmente varias etapas. En una planta
potabilizadora, el proceso se inicia con un tamizado que retiene materiales en suspensión o
restos orgánicos flotantes, de gran tamaño. El orden lógico de las etapas básicas de
purificación es:
o Floculación: Ayuda a eliminar la turbiedad de las aguas removiendo conglomerados
coloidales en suspensión mediante el agregado de sales de sulfato de aluminio y
potasio o cloruro férrico, cuyos iones neutralizan las cargas de los coloides,
produciendo la coagulación y la floculación.
o Decantación: Los flóculos formados (lodos) sedimentan por gravedad, seguido de
una separación del agua hacia el estanque siguiente.
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o Filtración: El agua libre de lodos se hace pasar por diferentes tipos de filtros
autolavantes y gravitacionales, compuestos de carbón antracita granular, arena y
grava. El carbón adsorbe partículas causantes del mal olor y del mal sabor remanentes
en las aguas. El paso por los distintos medios facilita la aireación del agua.
o Cloración: Consiste en inyectar cloro gaseoso al agua para eliminar microorganismos.
Hay plantas en las que conjuntamente con la etapa de floculación se practica una
precloración con el mismo fin, es decir, eliminar microorganismos. La concentración
máxima de cloro permitida alcanza a 0,6 mg/L, la que se reduce hasta 0,4 mg/L
cuando llega a los domicilios.
En algunas ciudades se adiciona flúor en la forma de ácido fluorsilícico para la
protección dental de la población. Las etapas finales de la purificación son de
almacenamiento y distribución domiciliaria.
Agua potable.
El agua potable contiene en pequeña escala una gran cantidad de sustancias
químicas inorgánicas y orgánicas. Entre los compuestos inorgánicos que se encuentran en
forma iónica se destacan los aniones cloruro, fluoruro, nitrato, nitrito y sulfato. Entre los
cationes se encuentran cobre, aluminio, arsénico y plomo. Cuando las aguas son duras
predominan los iones de calcio y magnesio. La presencia de estos iones hace que la
conductividad del agua sea apreciable y detectable con un conductímetro de baja
sensibilidad. El agua destilada de extrema pureza también conduce la electricidad, debido
a la pequeña cantidad de iones H+(ac) Y OH-(ac) presentes, efecto que puede ser
detectado sólo mediante un conductímetro de alta sensibilidad.
Como el agua se mantiene en contacto permanente con la atmósfera, algunos de los
componentes naturales del aire se disuelven. Por ejemplo a 20ºC por cada 100 mL de agua, la
solubilidad del oxígeno es 4,4 mg, la de nitrógeno 1,9 mg y la del dióxido de carbono 170 mg.
Aunque este último es escaso en la atmósfera (aproximadamente 0,037 % del aire), su
presencia como gas disuelto en el agua incrementa levemente la acidez del agua llegándose a
un pH cercano a 6 en el agua destilada.
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Ejercicios.
1. Con relación al agua, se puede afirmar que:
I) El agua aumenta su volumen al congelarse
II) El hielo tiene menor densidad que el agua.
III) Entre 0 °C y 4 °C, el agua presenta una anomalía en su dilatación.
Es (son) correcta(s)
A) sólo I.
B) sólo II.
C) sólo III.
D) sólo I y II.
E) I, II y III.
2. A una determinada presión, el agua se somete a los siguientes cambios sucesivos
de fase:
¿Cuál es el orden correcto de los cambios ocurridos?
Vapor
A)
B)
C)
D)
E)
Líquido
solido
Cambio 1
Cambio 2
Condensación
Vaporización
Condensación
Sublimación
Condensación
Congelación
Condensación
Congelación
Destilación
Vaporización
liquido
Cambio 3
Vaporización
sublimación
Fusión
Congelación
Fusión
3. Respecto del proceso de vaporización del agua, se puede afirmar que:
I) La presión de vapor aumenta si se eleva la temperatura.
II) El proceso inverso se denomina fusión.
III) La presión de vapor depende de las fuerzas intermoleculares.
Es (son) correcta(s)
A) sólo I.
B) sólo II.
C) sólo I y III.
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D) sólo II y III.
E) I, II y III.
4. ¿Cual de los siguientes procesos no es un cambio físico?
a) Sublimación de nitroglicerina
b) Vaporización de yodo
c) Fusión de cobre
d) Electrólisis de agua
e) Sublimación de dióxido de carbono
5. Los compuestos 1, 2 y 3 presentan los siguientes puntos de fusión y ebullición:
¿Cuál es el estado físico de cada uno de estos compuestos a temperatura ambiente
(25ºC)?
Compuesto 1 Compuesto 2
A)
B)
C)
D)
E)
Líquido
Sólido
Líquido
Gas
Sólido
Gas
Líquido
Sólido
Gas
Sólido
Compuesto 3
Sólido
Gas
Líquido
Sólido
Líquido
6. ¿Cuáles de los siguientes procesos ocurren en una destilación?
A) Condensación y sublimación.
B) Ebullición y condensación.
C) Licuación y congelación.
D) Condensación y fusión.
E) Sublimación y ebullición.
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5. El orden de proceso de potabilización del agua es:
A) Floculación – cloración- destilación - filtración
B) Cloración – floculación – filtración - decantación
C) Floculación – destilación – filtración – decantación
D) Cloración – filtración – decantación – floculación
E) Floculación – decantación – filtración – cloración
8. Respecto a la densidad del agua, es correcto afirmar:
I) Al aumentar la temperatura la densidad del agua disminuye.
II) 6,02x 10^23 moléculas de agua fría ocupa un volumen menor que un mol de agua
caliente
III) EL hielo flota en el agua liquida debido a que su densidad es mayor
a) Solo I
b) Solo II
c) Solo III
d) Solo I y II
e) I,II y III
10. Los océanos, ríos y lagos entre otros, tienen la capacidad de regular el clima debido a
que el agua presenta:
a) Elevado punto de fusión
b) Elevado punto de ebullición
c) Alto peso molecular
d) Baja tensión superficial
e) Ninguna de las anteriores
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