el agua (del
latín aqua) es una
sustancia cuya molécula está formada por dos
átomos de
hidrógeno y uno de
oxígeno (H2O). Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de
vida. En su uso más común, con agua nos referimos a la sustancia en su
estado líquido, pero la misma puede hallarse en forma
sólida (
hielo), y en forma
gaseosa que llamamos
vapor. El agua cubre el 71% de la superficie
terrestre.
[2] En nuestro planeta, se localiza principalmente en los
océanos donde se concentra el 96,5% del agua total, los
glaciares y casquetes polares tiene el 1,74%, los depósitos subterráneos en (
acuíferos), los
permafrost y los glaciares continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04% se reparte en orden decreciente entre lagos, la humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos.
Desde el punto de vista
físico, el agua circula constantemente en un
ciclo de
evaporación o
transpiración (
evapotranspiración),
precipitación, y desplazamiento hacia el
mar. Los vientos transportan tanto vapor de agua como el que se vierte en los mares mediante su curso sobre la tierra, en una cantidad aproximada de 45.000 km³ al año. En tierra firme, la evaporación y transpiración contribuyen con 74.000 km³ anuales a causar precipitaciones de 119.000 km³ al año.Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce se consume en la
agricultura. El agua en la industria absorbe una media del 20% del consumo mundial, empleándose como medio en la
refrigeración, el
transporte y como disolvente de una gran variedad de sustancias químicas. El consumo doméstico absorbe del orden del 10% restante.
El
agua potable es esencial para todas las formas de vida, incluida la humana. El acceso al agua potable se ha incrementado sustancialmente durante las últimas décadas en la práctica totalidad de la superficie terrestre. Sin embargo estudios de la FAO, estiman que uno de cada cinco países en vías de desarrollo tendrá problemas de escasez de agua antes del 2030; en esos países es urgente un menor gasto de agua en la agricultura modernizando los sistemas de riego.
Propiedades físicas y químicas
Artículo principal:
Agua (molécula)Modelo mostrando los enlaces de
hidrógeno entre
moléculas de agua.
El impacto de una gota sobre la superficie del agua provoca unas ondas características, llamadas
ondas capilares.
Acción
capilar del agua y el
mercurio.
El agua es una sustancia que químicamente se formula como
H2
O; es decir, que una
molécula de agua se compone de dos
átomos de
hidrógeno enlazados
covalentemente a un
átomo de
oxígeno.
Fue
Henry Cavendish quien descubrió en
1781 que el agua es una sustancia compuesta y no un elemento, como se pensaba desde la Antigüedad. Los resultados de dicho descubrimiento fueron desarrollados por
Antoine Laurent de Lavoisier dando a conocer que el agua estaba formada por oxígeno e hidrógeno. En
1804, el químico francés
Joseph Louis Gay-Lussac y el naturalista y geógrafo alemán
Alexander von Humboldt demostraron que el agua estaba formada por dos volúmenes de hidrógeno por cada volumen de oxígeno (H2O).
Las propiedades fisicoquímicas más notables del agua son:
El agua es insípida e inodora en
condiciones normales de presión y temperatura. El
color del agua varía según su estado: como líquido, puede parecer incolora en pequeñas cantidades, aunque en el
espectrógrafo se prueba que tiene un ligero tono azul verdoso. El hielo también tiende al azul y en estado gaseoso (vapor de agua) es incolora.
[11]El agua bloquea sólo ligeramente la radiación solar
UV fuerte, permitiendo que las
plantas acuáticas absorban su energía.
Ya que el
oxígeno tiene una
electronegatividad superior a la del
hidrógeno, el agua es una
molécula polar. El oxígeno tiene una ligera carga negativa, mientras que los átomos de hidrógenos tienen una carga ligeramente positiva del que resulta un fuerte
momento dipolar eléctrico. La interacción entre los diferentes dipolos eléctricos de una molécula causa una atracción en red que explica el elevado índice de
tensión superficial del agua.
La fuerza de interacción de la
tensión superficial del agua es la
fuerza de van der Waals entre moléculas de agua. La aparente elasticidad causada por la tensión superficial explica la formación de
ondas capilares. A presión constante, el índice de
tensión superficial del agua disminuye al aumentar su
temperatura.
[12] También tiene un alto valor
adhesivo gracias a su naturaleza polar.
La
capilaridad se refiere a la tendencia del agua de moverse por un tubo estrecho en contra de la fuerza de la
gravedad. Esta propiedad es aprovechada por todas las
plantas vasculares, como los árboles.
Otra fuerza muy importante que refuerza la unión entre moléculas de agua es el
enlace por puente de hidrógeno.
[13]El punto de
ebullición del agua (y de cualquier otro líquido) está directamente relacionado con la
presión atmosférica. Por ejemplo, en la cima del
Everest, el agua hierve a unos 68º C, mientras que al
nivel del mar este valor sube hasta 100º. Del mismo modo, el agua cercana a fuentes
geotérmicas puede alcanzar temperaturas de cientos de grados centígrados y seguir siendo líquida.
[14] Su temperatura crítica es de 373.85 °C (647,14º K), su valor específico de fusión es de 0,334 kJ/g y su índice específico de vaporización es de 2,23kJ/g.
[15]
El agua es un disolvente muy potente, al que se ha catalogado como el
disolvente universal, y afecta a muchos tipos de sustancias distintas. Las sustancias que se mezclan y se disuelven bien en agua -como las
sales,
azúcares,
ácidos,
álcalis, y algunos
gases (como el
oxígeno o el
dióxido de carbono, mediante
carbonación)- son llamadas
hidrófilas, mientras que las que no combinan bien con el agua -como
lípidos y
grasas- se denominan sustancias
hidrofóbicas. Todos los componentes principales de las células de
proteínas,
ADN y
polisacáridos se disuelven en agua. Puede formar un
azeótropo con muchos otros disolventes.
El agua es
miscible con muchos líquidos, como el
etanol, y en cualquier proporción, formando un líquido homogéneo. Por otra parte, los
aceites son inmiscibles con el agua, y forman capas de variable densidad sobre la superficie del agua. Como cualquier gas, el vapor de agua es miscible completamente con el aire.
El agua pura tiene una
conductividad eléctrica relativamente baja, pero ese valor se incrementa significativamente con la disolución de una pequeña cantidad de material iónico, como el
cloruro de sodio.
El agua tiene el segundo índice más alto de
capacidad calorífica específica -sólo por detrás del
amoníaco- así como una elevada
entalpía de vaporización (40.65 kJ mol-1); ambos factores se deben al enlace de hidrógeno entre moléculas. Estas dos inusuales propiedades son las que hacen que el agua "modere" las temperaturas terrestres, reconduciendo grandes variaciones de energía.
Animación de como el hielo pasa a estado líquido en un vaso. Los 50 minutos transcurridos se concentran en 7 segundos.
La
densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión. A la presión normal (1 atmósfera), el agua líquida tiene una mínima densidad (0,958 kg/l) a los 100 °C. Al bajar la temperatura, aumenta la densidad (por ejemplo, a 90 °C tiene 0,965 kg/l) y ese aumento es constante hasta llegar a los 3,8 °C donde alcanza una densidad de 1 kg/litro. Esa temperatura (3,8 °C) representa un punto de inflexión y es cuando alcanza su máxima densidad (a la presión mencionada). A partir de ese punto, al bajar la temperatura, la densidad comienza a disminuir, aunque muy lentamente (casi nada en la práctica), hasta que a los 0° disminuye hasta 0,9999
kg/litro. Cuando pasa al estado sólido (a 0 °C), ocurre una brusca disminución de la densidad pasando de 0,9999 kg/l a 0,917 kg/l.
El agua puede descomponerse en partículas de
hidrógeno y
oxígeno mediante
electrólisis.
Propiedades físicas y químicas
Artículo principal:
Agua (molécula)Modelo mostrando los enlaces de
hidrógeno entre
moléculas de agua.
El impacto de una gota sobre la superficie del agua provoca unas ondas características, llamadas
ondas capilares.
Acción
capilar del agua y el
mercurio.
El agua es una sustancia que químicamente se formula como
H2
O; es decir, que una
molécula de agua se compone de dos
átomos de
hidrógeno enlazados
covalentemente a un
átomo de
oxígeno.
Fue
Henry Cavendish quien descubrió en
1781 que el agua es una sustancia compuesta y no un elemento, como se pensaba desde la Antigüedad. Los resultados de dicho descubrimiento fueron desarrollados por
Antoine Laurent de Lavoisier dando a conocer que el agua estaba formada por oxígeno e hidrógeno. En
1804, el químico francés
Joseph Louis Gay-Lussac y el naturalista y geógrafo alemán
Alexander von Humboldt demostraron que el agua estaba formada por dos volúmenes de hidrógeno por cada volumen de oxígeno (H2O).
Las propiedades fisicoquímicas más notables del agua son:
El agua es insípida e inodora en
condiciones normales de presión y temperatura. El
color del agua varía según su estado: como líquido, puede parecer incolora en pequeñas cantidades, aunque en el
espectrógrafo se prueba que tiene un ligero tono azul verdoso. El hielo también tiende al azul y en estado gaseoso (vapor de agua) es incolora.
[11]El agua bloquea sólo ligeramente la radiación solar
UV fuerte, permitiendo que las
plantas acuáticas absorban su energía.
Ya que el
oxígeno tiene una
electronegatividad superior a la del
hidrógeno, el agua es una
molécula polar. El oxígeno tiene una ligera carga negativa, mientras que los átomos de hidrógenos tienen una carga ligeramente positiva del que resulta un fuerte
momento dipolar eléctrico. La interacción entre los diferentes dipolos eléctricos de una molécula causa una atracción en red que explica el elevado índice de
tensión superficial del agua.
La fuerza de interacción de la
tensión superficial del agua es la
fuerza de van der Waals entre moléculas de agua. La aparente elasticidad causada por la tensión superficial explica la formación de
ondas capilares. A presión constante, el índice de
tensión superficial del agua disminuye al aumentar su
temperatura.
[12] También tiene un alto valor
adhesivo gracias a su naturaleza polar.
La
capilaridad se refiere a la tendencia del agua de moverse por un tubo estrecho en contra de la fuerza de la
gravedad. Esta propiedad es aprovechada por todas las
plantas vasculares, como los árboles.
Otra fuerza muy importante que refuerza la unión entre moléculas de agua es el
enlace por puente de hidrógeno.
[13]El punto de
ebullición del agua (y de cualquier otro líquido) está directamente relacionado con la
presión atmosférica. Por ejemplo, en la cima del
Everest, el agua hierve a unos 68º C, mientras que al
nivel del mar este valor sube hasta 100º. Del mismo modo, el agua cercana a fuentes
geotérmicas puede alcanzar temperaturas de cientos de grados centígrados y seguir siendo líquida.
[14] Su temperatura crítica es de 373.85 °C (647,14º K), su valor específico de fusión es de 0,334 kJ/g y su índice específico de vaporización es de 2,23kJ/g.
[15]El agua es un disolvente muy potente, al que se ha catalogado como el
disolvente universal, y afecta a muchos tipos de sustancias distintas. Las sustancias que se mezclan y se disuelven bien en agua -como las
sales,
azúcares,
ácidos,
álcalis, y algunos
gases (como el
oxígeno o el
dióxido de carbono, mediante
carbonación)- son llamadas
hidrófilas, mientras que las que no combinan bien con el agua -como
lípidos y
grasas- se denominan sustancias
hidrofóbicas. Todos los componentes principales de las células de
proteínas,
ADN y
polisacáridos se disuelven en agua. Puede formar un
azeótropo con muchos otros disolventes.
El agua es
miscible con muchos líquidos, como el
etanol, y en cualquier proporción, formando un líquido homogéneo. Por otra parte, los
aceites son inmiscibles con el agua, y forman capas de variable densidad sobre la superficie del agua. Como cualquier gas, el vapor de agua es miscible completamente con el aire.
El agua pura tiene una
conductividad eléctrica relativamente baja, pero ese valor se incrementa significativamente con la disolución de una pequeña cantidad de material iónico, como el
cloruro de sodio.
El agua tiene el segundo índice más alto de
capacidad calorífica específica -sólo por detrás del
amoníaco- así como una elevada
entalpía de vaporización (40.65 kJ mol-1); ambos factores se deben al enlace de hidrógeno entre moléculas. Estas dos inusuales propiedades son las que hacen que el agua "modere" las temperaturas terrestres, reconduciendo grandes variaciones de energía.
Animación de como el hielo pasa a estado líquido en un vaso. Los 50 minutos transcurridos se concentran en 7 segundos.
La
densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión. A la presión normal (1 atmósfera), el agua líquida tiene una mínima densidad (0,958 kg/l) a los 100 °C. Al bajar la temperatura, aumenta la densidad (por ejemplo, a 90 °C tiene 0,965 kg/l) y ese aumento es constante hasta llegar a los 3,8 °C donde alcanza una densidad de 1 kg/litro. Esa temperatura (3,8 °C) representa un punto de inflexión y es cuando alcanza su máxima densidad (a la presión mencionada). A partir de ese punto, al bajar la temperatura, la densidad comienza a disminuir, aunque muy lentamente (casi nada en la práctica), hasta que a los 0° disminuye hasta 0,9999
kg/litro. Cuando pasa al estado sólido (a 0 °C), ocurre una brusca disminución de la densidad pasando de 0,9999 kg/l a 0,917 kg/l.
El agua puede descomponerse en partículas de
hidrógeno y
oxígeno mediante
electrólisis.
CARACTER BIPOLAR
El agua es una molécula polar porque presenta polaridad eléctrica, con un exceso de carga negativa junto al oxígeno compensada por otra positiva repartida entre los dos átomos de hidrógeno; los dos enlaces entre hidrógeno y oxígeno no ocupan una posición simétrica, sino que forman un ángulo de 104º 45′.
El agua tiene propiedades inusualmente críticas para la vida: es un buen disolvente y tiene alta tensión superficial. El agua pura tiene su mayor densidad a los 3,98°C: es menos densa al enfriarse o al calentarse, ya que al llegar a convertirse en agua sólida (hielo) las moléculas se unen y forman una figura como un panal, lo que la hace menos densa. Como una estable molécula polar prevalente en la atmósfera, tiene un importante papel en la atmósfera como absorbente de radiación infrarroja, crucial en el efecto invernadero. El agua también tiene un calor específico inusualmente alto, importante en el regulamiento del clima global.
El agua es un buen disolvente y disuelve muchas sustancias, como las diferentes sales y azúcares, y facilita las reacciones químicas lo que contribuye a la complejidad del metabolismo. Algunas sustancias, sin embargo, no se mezclan bien con el agua, incluyendo aceites y otras sustancias hidrofóbicas. Membranas celulares compuestas de lípidos y proteínas, toman ventaja de esta propiedad para controlar las interacciones entre sus contenidos y químicos externos. Esto se facilita en parte por la tensión superficial del agua.
Las gotas de agua son estables debido a su alta tensión superficial. Esto se puede ver cuando pequeñas cantidades de agua se ponen en superficies no solubles como el vidrio: el agua se queda junta en forma de gotas. Esta propiedad es importante en la transpiración de las plantas.
Una propiedad del agua simple pero ambientalmente importante es que su común forma sólida, el hielo, flota en el líquido. Esta fase sólida es menos densa que el agua líquida debido a la geometría de los fuertes enlaces de hidrógeno formados solo a temperaturas bajas.
Para casi todas las demás sustancias y para todas las otras once fases no comunes del hielo de agua excepto ice-XI, la forma sólida es más densa que la forma líquida. El agua fresca presenta la máxima densidad a 3,8 °C, ascendiendo por convección tanto cuando su temperatura aumenta como cuando disminuye desde ese valor. Este revés causa que el agua profunda permanezca más caliente que la ligera agua congelada, por lo que el hielo en un cuerpo de agua se formará primero en la superficie y crecerá hacia abajo, mientras que la mayor parte del agua bajo del hielo permanecerá a 3,8 °C. Esto efectivamente aísla el fondo de un lago del frío exterior.
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica (alcoholes, azúcares con grupos R-OH , aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares). También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.
En el caso de las disoluciones iónicas, los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando “atrapados” y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados. La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones:
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica (alcoholes, azúcares con grupos R-OH , aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares). También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.
En el caso de las disoluciones iónicas, los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando “atrapados” y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados. La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones:
-Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo
-Sistemas de transporte
ENLACES INTERMOLECULARES
Al estar el agua en estado sólido, todas las moléculas se encuentran unidas mediante un enlace de hidrógeno, que es un enlace intermolecular y forma una estructura parecida a un panal de abejas, lo que explica que el agua sea menos densa en estado sólido que en el estado líquido. La energía cinética de las moléculas es muy baja, es decir que las moléculas están casi inmóviles.
Una de las peculiaridades del agua es que al congelarse tiende a expandirse y disminuir su densidad.
