Propiedades del agua. Trabajo práctico número uno

 Propiedades del agua

El agua, el líquido más común de la superficie terrestre, el componente principal en peso de todos los seres vivos, tiene un número de propiedades destacables. Estas propiedades son consecuencia de su estructura molecular.

La estructura de la molécula de agua está dada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes. Es una molécula polar y, en consecuencia, forma enlaces -llamados puentes de hidrógeno- con otras moléculas. Los puentes de hidrógeno determinan muchas propiedades del agua. Entre ellas están:

• Cohesión: es la capacidad de mantenerse unidas entre si las moléculas, el agua tiene una gran cohesión.

• Tensión superficial: es una propiedad unida a la cohesión, las moléculas al mantenerse unidas generan una alta tensión superficial.

• Calor específico: pasa del estado solidó al líquido a una temperatura de 0°C en condiciones estándar, esto se denomina vaporización y pasa de líquido a gaseoso a los 100°C a este cambio de fase se denomina fusión. Esto se debe a que es muy difícil romper los puente hidrogeno presentes en fase liquida.

• Capilaridad: es la adhesión de las moléculas de agua a las superficies.

También debido a su polaridad el agua es un buen solvente para iones y moléculas polares. Las moléculas que se disuelven fácilmente en agua se conocen como hidrofílicas. Las moléculas de agua, a raíz de su polaridad, excluyen activamente de la solución a las moléculas no polares. Las moléculas excluidas de la solución acuosa se conocen como hidrofóbicas.

La estructura del agua

Como ya dijimos la molécula de agua es polar, con dos zonas débilmente negativas y dos zonas débilmente positivas; en consecuencia, entre sus moléculas se forman enlaces débiles.Aunque los enlaces individuales son débiles -se rompen y se vuelven a formar continuamente- la fuerza total de los enlaces que mantienen a las moléculas juntas es muy grande.

La molécula de agua (H2O) puede ser representada de varias maneras distintas. 

Veamos el modela orbital de la molécula de agua.

La polaridad de la molécula de agua y sus consecuencias.

1. Como se ve en este modelo, desde el núcleo de oxígeno de una molécula de agua se ramifican cuatro orbitales constituyendo un tetraedro. Debido a la fuerte atracción que ejerce el núcleo del oxígeno hacia los electrones, los electrones que intervienen en los enlaces covalentes pasan más tiempo alrededor del núcleo de oxígeno que el que pasan alrededor de los núcleos de hidrógeno. En consecuencia, la región que se encuentra cerca de cada núcleo de hidrógeno es una zona débilmente positiva. Además, el átomo de oxígeno tiene cuatro electrones adicionales en su nivel energético exterior que están apareados en dos orbitales. Cada uno de estos orbitales es una zona débilmente negativa. Así, la molécula de agua, desde el punto de vista de la polaridad, tiene cuatro "vértices", dos "vértices'' cargados positivamente y otros dos cargados negativamente.

2. Como resultado de estas zonas positivas y negativas, cada molécula de agua puede formar puentes de hidrógeno (representadas por líneas de puntos) con otras cuatro moléculas de agua. En condiciones normales de presión y temperatura, los puentes de hidrógeno se rompen y vuelven a formarse continuamente, siguiendo un patrón variable. Por esa causa, el agua es un líquido.

Consecuencias del puente de hidrógeno

Los puentes de hidrógeno son los responsables de las propiedades características del agua; entre ellas, de la gran cohesión, o atracción mutua, de sus moléculas. La cohesión trae como consecuencia la alta tensión superficial que permite, por ejemplo, que una hoja de afeitar colocada delicadamente sobre la superficie del agua flote.

La enorme cantidad de puentes de hidrógeno que presenta el agua también es responsable de su resistencia a los cambios de temperatura. El agua tiene un alto calor específico -o capacidad calorífica- un alto calor de vaporización y un alto calor de fusión. La acción capilar -o capilaridad - y la imbibición son también fenómenos relacionados con las uniones entre moléculas de agua. Si se mantienen dos láminas de vidrio juntas y se sumerge un extremo en agua, la cohesión y la adhesión combinadas harán que el agua ascienda entre las dos láminas por capilaridad. De igual modo, la capilaridad hace que el agua suba por tubos de vidrio muy finos, que ascienda en un papel secante, o que atraviese lentamente los pequeños espacios entre las partículas del suelo y, de esta manera, esté disponible para las raíces de las plantas. La imbibición, por otra parte, es la absorción o penetración capilar de moléculas de agua en sustancias tales como la madera o la gelatina que, como resultado de ello, se hinchan. Las presiones desarrolladas por imbibición pueden ser sorprendentemente grandes.

El agua como solvente

Dentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solución acuosa. La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas, como el cloruro de sodio (NaCl), en sus iones constituyentes. Las moléculas de agua se aglomeran alrededor de los iones con carga y los separan unos de otros.

 

Muchas de las moléculas importantes en los sistemas vivos que presentan uniones covalentes, como los azúcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Estas moléculas, por lo tanto, atraen moléculas de agua y también se disuelven en agua. Las moléculas polares que se disuelven rápidamente en agua son llamadas hidrofílicas ("que aman al agua''). Estas moléculas se disuelven fácilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen moléculas de agua tanto o más que lo que se atraen entre sí. 

Moléculas tales como las grasas, que carecen de regiones polares, tienden a ser muy insolubles en el agua. Los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua actúan como una fuerza que excluye a las moléculas no polares. Como resultado de esta exclusión, las moléculas no polares tienden a agruparse en el agua, al igual que las gotitas de grasa tienden a juntarse. Dichas moléculas son llamadas hidrofóbicas ("que tienen aversión por el agua") y los agrupamientos se producen por interacciones hidrofóbicas.

Actividades

1. Lee el texto detenidamente, busca el significado de las palabras que no conozcas y subraya los conceptos que consideres importantes. Luego responde:

i) ¿Cómo es la estructura de la molécula de agua? Dibuja 

ii) ¿Qué significa que la molécula de agua sea polar? Vuelve a dibujar la molécula de agua marcando su polaridad (puedes usar distintos colores).

iii) ¿Cuál es la importancia del núcleo del átomo de oxígeno en dicha polaridad? Explica

iv) Debido a su polaridad la molécula de agua forma enlaces llamados puente de hidrógeno ¿Qué es el puente de hidrógeno? ¿Qué propiedades tiene el agua debido a dichos enlaces? Da ejemplos (leer página 1 y 2 para responder)

v) Debido a su bajo peso molecular el agua (H2O) a temperatura ambiente debería ser un gas como lo es el metano (CH4), justifica por qué entonces es líquida a temperatura ambiente.

vi) ¿Qué propiedad del agua explica que algunos insecto puedan caminar en el agua?

vii) ¿Qué propiedad del agua explica que los países del hemisferio norte tenga una temperatura media menor que los países del hemisferio sur? (Cabe aclarar que existen también otros factores que hacen que los climas sean distintos)

viii) ¿Qué significa hidrofílico?

ix) ¿Qué significa Hidrofóbico?

x) ¿Puede el agua disolver cualquier sustancia? Justifica.

xi) ¿Cómo actúa el agua para disolver sustancias iónicas? esquematiza.

xii) Investigar sobre la acción limpiadora del jabón.