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Ficha temática

El agua

Aprende acerca del "líquido de la vida". En el siguiente recurso encontrarás información y algunas ilustraciones que te ayudarán a entender los procesos.

El agua

El agua interviene en todas las formas conocidas de vida, por lo que ha sido llamada el líquido de la vida, y es el único compuesto químico que se halla en la naturaleza en grandes cantidades y en los tres estados físicos. Además, es la sustancia química más abundante en la materia viva. El ser humano, por ejemplo, está compuesto en un 63% de agua, las algas en un 98%, y en la escala inferior tenemos la dentina de los dientes con un 10%.

El agua es constituyente importante de la atmósfera, particularmente en las regiones húmedas y templadas, y es el compuesto mayoritario de la hidrosfera.

¿Cuál es la estructura del agua?

El  agua  es  un  compuesto  que  está  constituido  por  dos  átomos  de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. Los enlaces hidrógeno – oxígeno son covalentes, dado que comparten un par electrónico. Debido a que el oxígeno tiene un carácter no metálico de mayor electronegatividad, el par electrónico de enlace está más cerca de este elemento que del hidrógeno, determinando la polaridad del enlace. La estructura de la molécula de agua es angular, y el ángulo de enlace es de 104,5º, tal como lo muestra la siguiente figura:

Molécula de agua

La estructura del agua es un dipolo, donde el oxígeno tiene una densidad de carga negativa, y asociado a los hidrógenos encontramos una densidad de carga positiva.
La condición de polaridad de las moléculas del agua hace que estas se atraigan  entre  sí,  generando  una  interacción  molecular  entre  el  polo positivo de una molécula y el polo negativo de otra, mediante una asociación llamada puente de hidrógeno o enlace puente de hidrógeno.

En el caso de agua este punto de ebullición es de 100ºC a nivel del mar, es decir,  a la presión  normal de 760 mmHg. En la cordillera, este punto de ebullición es menor pues la temperatura cambia con la presión atmosférica.

¿Cuáles son las propiedades del agua?

Propiedades físicas del agua

1) Punto de ebullición del agua

Las características estructurales de la molécula de agua explican las propiedades generales de esta, como su elevado punto de ebullición en comparación con sus análogos del mismo grupo del sistema periódico (H2S, H2Se, H2Te). Si se siguiera la tendencia de estos compuestos,  el  agua  debería  hervir  a  alrededor  de  –100ºC,  como  se muestra en el valor extrapolado de la siguiente figura.

Gráfico

La razón que explica la mayor energía que es necesario aplicar para que el agua alcance su punto de  ebullición (100°C),  responde a la formación de estructuras más estables producto de las atracciones ejercidas por los puentes de hidrógeno. En el caso de agua este punto de ebullición es de 100ºC a nivel del mar, es decir, a la presión normal de 760 mmHg. En la cordillera, este punto de ebullición es menor pues la temperatura cambia con la presión atmosférica.

2) Comportamiento inusual, densidad del agua

Las atracciones establecidas por los puentes de hidrogeno entre sus moléculas,  son las que determinan la dureza del hielo y su baja densidad, que a su vez se debe a la estructura abierta del sólido, donde se ordenan las unidades H2O enlazadas entre sí por  estos puentes.

El hielo presenta una menor densidad que el agua en estado líquido y, además, exhibe una baja conductividad térmica. Dichas propiedades explican que, a bajas temperaturas, el hielo queda en la superficie de los mares y lagos y no se produce el congelamiento completo de estos  depósitos  naturales, posibilitando así la existencia de variadas formas de vida acuática.
El fenómeno anterior se relaciona con la llamada anomalía del agua, que es una excepción a la regla general de que los sólidos son más densos que los líquidos: la densidad del agua líquida sobre 0ºC es mayor que la del hielo. En estado líquido aumenta hasta alcanzar su valor máximo exactamente a 3,98ºC (1g/ml). A temperaturas mayores que esa se comporta de manera normal, vale decir, como los otros líquidos, disminuyendo su densidad cuando la temperatura aumenta.

En el siguiente gráfico podrás apreciar la variación de la densidad del agua entre 0 ºC y 10 ºC.


Gráfico sobre densidad del agua en función de la temperatura

Ejercicio:
Describe qué entiendes por la densidad de una sustancia y cuáles son las unidades más utilizadas para expresarla. ¿En cuánto estimas la densidad del agua a 10°C?

El elevado calor de fusión del hielo y el de evaporación del agua líquida, proveen mecanismos eficientes de absorción del calor que evitan un excesivo aumento de la temperatura terrestre.
Existe una creciente preocupación por el calentamiento global de la Tierra, ya que elevación de su temperatura media implica un empeoramiento de las condiciones climáticas debido a la reducción de la masa de hielo de los casquetes polares. Esto involucra la desaparición gradual de uno de los mecanismos que regulan la temperatura del planeta.

Ejercicio:
Averigua qué es el calor de fusión de un sólido y compara los calores de fusión del hielo con los de algunos metales.

• Amortiguador térmico: se debe a su elevado calor específico y de vaporización. Así, cuando los animales sudan, el agua absorbe calor del cuerpo, ayudando a que este se enfríe.
• Transporte de sustancias.
• Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos.
• Favorece la circulación.
• Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos.
• Tensión superficial: Las fuerzas de cohesión  que se establecen entre las moléculas superficiales del agua debido a las atracciones puente de Hidrogeno, son diferentes a las del interior, mientras las moléculas bajo la superficie líquida experimentan fuerzas de atracción con otras moléculas  vecinas en todas las direcciones, las que están en la superficie sólo están ligadas a otras moléculas superficiales del agua. Esto crea una mayor  tensión sobre la superficie del líquido, llamada tensión superficial. Un ejemplo clásico es cuando ponemos sobre la superficie libre del agua ciertos objetos y estos flotan sin dificultades.

Propiedades químicas del agua

1) Solvente universal
El agua es capaz de disolver una gran variedad de sustancias, tanto inórganicas como orgánicas, esto es debido a que el agua es una molecula polar y reaccionara con aquellos compuestos  que también sean  polares. En la naturaleza es de considerable importancia que el agua sea un buen  disolvente, ya que muchas reacciones transcurren en medio acuoso. Cuando las reacciones transcurren en agua, decimos que son reacciones en solución acuosa.

El poder disolvente del agua frente a otras sustancias también incrementa las posibilidades de  contaminación, más  todavía  al  interior  de  la  corteza terrestre, donde el  agua se suele encontrar a  altas temperaturas, en particular, en zonas con actividad volcánica.
La solubilidad de las sales en el agua aumenta con la temperatura, como se puede observar, por ejemplo, en el caso del cloruro de potasio (KCl).

Gráfico

En este caso hay una relación prácticamente lineal entre la solubilidad de la sal en agua y la temperatura, pero no debes pensar que eso debe ser siempre así.

El poder disolvente del agua ha provocado que esta sea caracterizada como un solvente universal, pero tal designación debe ser evitada, ya que no existe un disolvente con tales características, como tampoco habría recipiente alguno en el cual pudiera ser contenido. De hecho, el agua no disuelve grasas, aceites, celulosa, metales nobles, cuarzo y una gran cantidad de materiales de naturaleza muy diversa.

 2)  Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas
 
Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando iones hidrógeno (H+) o bien iones hidroxilos (OH-) al medio. Esta función como disolvente es básico para la vida, pues casi todas las reacciones biológicas tienen lugar en el estado líquido y en un medio acuoso.

Tipos de aguas

1) Agua dulce

Los recursos de agua dulce son extremadamente limitados, casi de un 2% del total de agua en la Tierra. Este recurso, del cual se prevé una creciente escasez, se halla, principalmente, en forma de hielo, ríos, lagos y en las aguas subterráneas.

2) Agua destilada

¿Sabías que el agua puede ser purificada natural y artificialmente?

Un proceso de purificación natural del agua es a través de su ciclo, que contempla evaporación, condensación y filtración. A través de la evaporación y su posterior condensación se elimina gran parte de las sustancias disueltas, en particular las sales. El vapor de agua precipita en forma de diminutas gotas (lluvia) o de cristales de hielo (nieve), según cuáles sean las condiciones de temperatura y presión. Por otra parte, el agua superficial penetra hacia el interior de la tierra, filtrándose a través de medios permeables como la grava y la arena. En este proceso se separa la mayor parte del material en suspensión.

En la siguiente dirección podrás ver un esquema del ciclo del agua:

http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanishhi.html  

La purificación artificial del agua, que en general es bastante costosa, se realiza en laboratorios por destilación. Para ello, se hierve el agua y los vapores se condensan para así obtener agua prácticamente libre de sales. Sin embargo, normalmente contiene disueltos los gases de la atmósfera, en particular el dióxido de carbono, el que produce una acidificación del agua, por lo que esta puede disminuir su pH, llegando hasta valores próximos a 5,0.

En la siguiente figura se ilustra un aparato simple de destilación.

Sistema de destilación

El agua que se va a destilar es vaciada en el matraz de destilación y por calentamiento se produce su ebullición. Los vapores son condensados en el refrigerante, en el que circula agua fría. En el matraz de Erlenmeyer se recoge el agua en estado líquido, ya destilada.

Aunque la destilación provee agua de alta pureza, su alto costo no la perfila como un procedimiento apropiado para la purificación de agua a gran escala.

Los usos más importantes que se le da al agua destilada son  en los laboratorios químicos o en ciertos usos medicinales, se emplea este tipo de agua que no contiene sustancias disueltas. 

3) Agua potable

El  Agua potable: Es el agua apta para el consumo humano y debe reunir las siguientes características:

  • Debe ser limpia, incolora y con sabor agradable.
  • Debe contener aire disuelto.
  • Debe contener cierta proporción de sales minerales disueltas. 
  • No contener materias orgánicas en descomposición. 
  • No debe contener microbios patógenos
  • Debe ser capaz de disolver bien el jabón y los detergentes.

¿Qué es la potabilización del agua?

El proceso para potabilizar el agua consiste básicamente en cinco etapas: 1) precloración; 2) floculación; 3) decantación; 4) filtración; y 5) cloración.

En la primera etapa se eliminan, mediante el tratamiento con cloro, los microorganismos. Posteriormente se adicionan agentes floculantes (como sulfato de aluminio) que producen una aglutinación de las partículas contaminantes, separadas, en esta etapa, por decantación. En un cuarto momento, se filtra el agua para separar las partículas de menor tamaño y, eventualmente, se adiciona carbón activado para eliminar las sustancias que imparten al agua mal sabor y olor. Finalmente, se vuelve a adicionar cloro para eliminar los microorganismos que aún pueden estar presentes en el agua.

Esquema sobre proceso de purificación del agua

Ejercicios:

Busca en Internet esquemas o dibujos sobre los procesos de potabilización del agua. Intenta elaborar, a pequeña escala, una planta de purificación del agua. ¿Qué materiales requieres para este proyecto? Si es necesario pídele ayuda a tu profesor(a) de Educación Tecnológica.

¿Qué efectos causa la contaminación de las aguas?

La mayor parte de la población mundial vive en deficientes condiciones sanitarias, asolada por enfermedades que se extienden de manera epidémica como resultado de la falta de agua potable y de higiene. Entre estas enfermedades se cuentan la hepatitis, el cólera y la fiebre tifoidea.

¿Qué sabes acerca de la contaminación del agua?

El agua se contamina a través de procesos de origen natural y también, muy especialmente, como resultado de la actividad humana en el ámbito doméstico, agrícola e industrial.

La bioacumulación es el problema más serio que deben enfrentar los organismos que habitan en el agua y la tierra. Metales pesados y sustancias orgánicas, provenientes de diferentes actividades humanas, se transfieren de un organismo a otro a través de la cadena alimentaria. El proceso ocasiona serias alteraciones al medio acuático y muchas veces trastornos genéticos que difícilmente se pueden reparar.

Bioacumulación

Algunos contaminantes que puede presentar el agua

Tipo

Ejemplo

Químico

 

Petróleo

Detergentes

Material radiactivo

Físico

Sólidos flotantes

Líquidos insolubles

Biológico

Bacterias patógenas

Virus

Algas

 
Recuperación de las aguas contaminadas
 
En el tratamiento de aguas contaminadas se realiza la siguiente serie de eventos:
1. Tratamiento mecánico o físico: Eliminación de los residuos sólidos de gran tamaño, por medio de la filtración, como por ejemplo: maderas, bolsas, botellas, etc.,
2. Tratamiento biológico: Desintegración de la materia orgánica por acción de bacterias aeróbicas, proceso que requiere de una gran cantidad de Oxígeno disuelto.
3. Tratamiento químico: Destinado a eliminar sustancias químicas y bacterias patógenas.
Después de ésta última etapa se obtiene agua que es limpia en un 98% aproximadamente. El agua obtenida por estos tratamientos no es apta para el consumo humano, pero sí se puede verter nuevamente a sus cauces naturales o ser reutilizada, por ejemplo para regadio.
 
4) Aguas blandas 

El agua tiene múltiples usos, pues es una sustancia vital en la supervivencia de los seres vivos y muy importante, además, en actividades agrícolas, industriales y de minería. Para funciones como la refrigeración, alimentación de calderas de vapor y lavado de textiles, el agua debe tener una baja concentración de sales de calcio y magnesio. Las aguas que tienen estas características se denominan blandas. El agua de ciudades del sur de Chile, generalmente poseen agua blanda y puede contener hasta 60 g de carbonato de calcio (CaCO3) por 1000 kg de agua, es decir, 60 ppm de carbonato de calcio.

5) Aguas duras

Las aguas duras contienen una alta concentración de sales  de calcio y magnesio y no forman espuma con los jabones, pues se produce  un compuesto  insoluble que no tiene poder de limpieza. Es posible eliminar la dureza del agua mediante la acción de ciertas sustancias químicas  llamadas ablandadores. En general el agua dura es inadecuada para usos domésticos e industriales.

Las aguas del norte de Chile son particularmente duras y el carbonato de calcio alcanza en algunas ciudades concentraciones de alrededor de 800 partes por millón (ppm), lo que significa que 1 millón de gramos o 1000 kg de esa agua contiene 800 g de CaCO3.

La piedra caliza o carbonato de calcio y la dolomita, sal doble de carbonato de calcio y carbonato de magnesio, se encuentran comúnmente en la superficie de la tierra en ciertos sectores y a menudo penetran en los suministros de agua. El carbonato de calcio es insoluble en agua, pero en presencia de anhídrido carbónico, proveniente de la atmósfera, se transforma en bicarbonato de calcio, según lo muestra la siguiente ecuación

Ecuación química

El bicarbonato de calcio (Ca(HCO3) 2)en solución acuosa se encuentra como los iones Ca2+ y como

bicarbonato, HCO31-. La presencia de los iones Mg2+ y Ca2+ determina que esta agua sea calificada como agua dura, que puede distinguirse según su dureza temporal o su dureza permanente.

Cuando la dureza es temporal, los iones calcio y magnesio se encuentran en forma de bicarbonatos de calcio y magnesio. Esta dureza se elimina por la descomposición térmica de las sales, bicarbonatos de calcio y magnesio, que se encuentran en solución.

Al someter a ebullición esta agua, se produce lo siguiente:

Ecuación química

El carbonato de calcio y carbonato de magnesio corresponden al sarro que se forma en las teteras, en los hervidores de agua o en las paredes internas de las calderas, por ejemplo. El sarro puede ser disuelto a través de un tratamiento con un ácido débil, como el ácido acético contenido en el vinagre. La reacción que describe este proceso es la siguiente:

Reacción química

En el caso de la dureza permanente, los iones calcio y magnesio están como sales de sulfato de calcio y sulfato de magnesio. Esta dureza del agua se puede eliminar mediante resinas de intercambio iónico; otro método alternativo es la adición de carbonato de sodio, con lo que se logra la precipitación del carbonato de calcio. La reacción que describe este cambio es la siguiente:

Ecuación química

Jabones

Los jabones son sales de ácidos grasos de cadena carbonada larga, que puede ser entre 12 a 18 átomos de carbono. El sector del grupo alquilo es apolar, y por lo tanto es soluble en grasas y aceites, pero insoluble en agua. El extremo donde se encuentra el grupo carboxílico es muy polar, y por tanto soluble en agua. El jabón tiene un extremo hidrofílico (amante del agua) y otro hidrofóbico (temeroso o repelente al agua), y es soluble en aceites y grasas.

La suciedad se adhiere al cuerpo y a la ropa como una capa de grasa o aceite, por lo que el jabón tiene la constitución perfecta para rodear a la grasa o aceite por su extremo hidrofóbico y permitir que su extremo hidrofílico esté en contacto con el agua donde es soluble.

Representación esquemática de dos micelas formadas por moléculas de jabón en agua

Representación esquemática de dos micelas formadas por moléculas de jabón en agua. Las micelas forman una dispersión coloidal y se eliminan con el agua.

La dureza del agua, independiente de que esta sea temporal o permanente, es determinante en la disminución de la acción limpiadora de los jabones. Los iones Ca2+ y Mg2+ forman sales insolubles con las moléculas orgánicas del jabón; en el lenguaje corriente se dice que el jabón “se corta”. Esto obliga a utilizar una mayor cantidad de jabón y, además, dificulta el proceso de enjuague, ya que las telas se impregnan con las sales insolubles precipitadas.

Ejercicio asociado a la geología:

Averigua sobre el origen de la formación de algunas cavernas en lugares en que abunda la caliza, CaCO3. ¿Cuál es la explicación del fenómeno desde el punto de vista de la química?

Electrolisis del agua

El fenómeno de autoionización del agua provee una baja concentración de iones H+ y OH-, lo que explica su casi nula conductividad eléctrica y neutralidad desde el punto de vista ácido-base (la concentración molar de iones hidrógeno y de iones hidróxilo es de 1 x 10-7). Recuerda que el pH del agua es 7.

Ecuación química

La autoionización se produce, entre otros factores, como consecuencia de la polaridad de las moléculas de agua.

Por otra parte, el fenómeno de electrólisis del agua se basa justamente en su naturaleza eléctrica. Dicho proceso no ocurre de manera espontánea, pero puede ser producido por acción de la corriente eléctrica cuando se aplica un potencial eléctrico, suministrado por una pila o batería, a dos placas metálicas sumergidas en una disolución acuosa.

Es importante que jamás intentes utilizar la corriente eléctrica de la red domiciliaria de 220 V para hacer experimentación, ya que esto puede desencadenar un accidente fatal. Por lo anterior, para los experimentos, solamente debes ocupar pilas pequeñas de 1,5 V o, como máximo, 9 V.

La descomposición electrolítica es un proceso endergónico que se puede llevar a cabo en un Voltámetro de Hoffman.

Voltámetro de Hoffman

Cuando los electrodos se conectan a la bateria no hay cambios, ya que en el agua pura no hay suficientes iones que faciliten la conductividad eléctrica . Si se agrega al agua un eléctrolito, es decir un compuesto que genere iones (átomos cargados eléctricamente), como por ejemplo sales o acidos como el acido sulfurico (H2SO4) se podrá  apreciar el desprendimiento de burbujas de gas desde los electrodos: en el positivo burbujea el Oxígeno y en el negativo lo hace el Hidrógeno. Ambos gases pueden ser recogidos por los tubos que se colocan invertidos sobre el electrodo. El volumen de Hidrógeno recogido es el doble del volumen de Oxígeno  y el proceso ocurre con absorción de energia (reacción endergonica).

Se puede advertir la presencia de hidrógeno en el agua acercando una pajilla encendida, pues, al ser el hidrógeno un combustible, debería generar una pequeña explosión. La presencia de oxígeno, en tanto, se puede comprobar al acercar una pajilla en ignición, lo que debería encender una llama, dado el carácter de comburente que tiene el oxígeno.

El volumen de hidrógeno obtenido es el doble que el volumen de oxígeno, lo que está en concordancia con los coeficientes estequiométricos 2 para el hidrógeno y 1 para el oxígeno, de la ecuación de descomposición.

Ecuación química

El agua

 

Esta ficha temática tiene como propósito central que los estudiantes aprendan el agua desde el aspecto de la química y se comprometan con su protección, para ello se sugiere seguir con los siguientes pasos:

 

-       Indicar que el agua es un compuesto químico, que se encuentra en los tres estados de la materia en la naturaleza.

-      Conocer  el porcentaje de agua dulce y agua salada en el planeta Tierra. Indicar que la potabilización del agua se obtiene generalmente del agua dulce, que la componen: ríos, lagos, nieve, etc.

 

-       Indicar que la estructura del agua posee enlace de tipo covalente y que entre sus moléculas se forman puentes de Hidrogeno, además de informar sobre la forma tridimensional del agua que es angular, cuyo ángulo de enlace es de 104,5°.

 

-       El docente puede mostrar el recurso que aparece en esta ficha, para que los estudiantes visualicen la estructura de la molécula de agua. A partir de dicho recurso se puede explicar: obtención, polaridad, estequiometria, etc.

-       Es conveniente indicar las propiedades físicas (temperatura de ebullición, densidad, tensión superficial, etc.) y propiedades químicas del agua (solvente universal, electrolisis del agua), a partir de hechos cotidianos, como por ejemplo: por que el hielo flota sobre el agua o por que el agua es capaz de disolver gran cantidad de sustancias.

 

Se sugiere además, explicar o realizar si se pudiera el “experimento sobre la electrólisis del agua”. A partir de la experiencia, realizar preguntas como: ¿Por qué los gases liberados desplazan al agua de los tubos de ensayos? ¿De dónde provienen los gases liberados durante la electrólisis del agua? ¿Qué tipo de reacción es exergónica o endergónica?, etc.

 

-       Identificar los tipos de agua y diferenciar entre el agua potable y el agua destilada, reconocer las desventajas del agua dura.

 

-       Identificar como se contamina al agua en forma natural y de qué modos la actividad humana contamina el agua.

 

-       Indicar las etapas de potabilización y recuperación de las aguas, cual es la finalidad de recuperar las aguas contaminadas.

 

Es recomendable que en estas sugerencias el docente motive a los estudiantes a relacionar estos contenidos con sus vidas. Por ejemplo: la evaporación del agua contenida en la tetera, cuando se calienta; la condensación de vapor de agua sobre una tapa de olla u otra superficie fría; que expliquen por qué no es bueno regar las plantas con agua destilada; por qué no debemos utilizar agua de la llave para usos medicinales, etc.

 

Sobre esta base expuesta, pedir a los estudiantes que construyan un glosario con los términos más relevantes vistos en las clases. Confeccionen cuadros resumen o mapas conceptuales, en donde se revisen cada uno de los puntos anteriores. Pueden hacerlo en forma grupal, en donde ellos comprueben lo que han aprendido.

Finalmente realizar las actividades propuestas en esta ficha temática, que serán de gran ayuda para su preparación en la PSU.

Información

Técnica

Descripción BreveAprende acerca del "líquido de la vida". En el siguiente recurso encontrarás información y algunas ilustraciones que te ayudarán a entender los procesos.
Temas relacionados

>>Video: Ciclo del agua

>>Presentación: EL agua: Características;Propiedades; Ciclo; Obtención de agua potable.

>>Recurso interactivo: Estructura y enlace

IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
1° medioQuímicaLa materia y sus transformaciones

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