Agua y soluciones






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PROPIEDADES QUÍMICAS

El agua es el compuesto químico más familiar para nosotros, el más abundante y el de mayor significación para nuestra vida. Su excepcional importancia, desde el punto de vista químico, reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza, no solo en organismos vivos, sino también en la superficie no organizada de la tierra, así como los que se llevan a cabo en el laboratorio y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua, esto es en disolución. Normalmente se dice que el agua es el disolvente universal, puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en ella.

No posee propiedades ácidas ni básicas, se combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los óxidos de metales formando ácidos y actúa como catalizador en muchas reacciones químicas.

CARACTERÍSTICAS DE LA MOLÉCULA DEL AGUA

La molécula de agua tiene forma triangular, formando un ángulo de 104.5° entre los dos átomos de hidrógeno unidos al Oxígeno. El átomo de Oxígeno es electronegativo, atrae hacia él los electrones y quedando con carga negativa por lo que queda una carga parcial positiva alrededor de los átomos de Hidrógeno.agua01

Por lo anterior se dan las interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces por puentes de hidrógeno los cuales se forman así: “la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes”.
Aunque los puentes de hidrógeno son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro moléculas unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular la cuál es responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas. Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/hydrogen-bonding-in-water-2d.png

A medida que el agua se congela, las moléculas se congelan y se empiezan a acomodar en una estructura rígida en forma de rejilla. La estructura que se forma en hielo sólido tiene grandes huecos. Por consiguiente, en un volumen dado de hielo, hay menos moléculas de agua que en el mismo volumen de agua líquida; por lo tanto el hielo es menos denso que el agua líquida y flotará en la superficie del líquido. Este fenómeno es muy raro, pero su importancia biológica ha sido reconocida desde hace tiempo. Si el hielo fuera más pesado que el agua, se debería hundir al congelarse. Lo que en realidad sucede es que el agua más caliente (líquida) se va al fondo y el hielo flota en la superficie, donde el calor del medio ambiente puede fundirlo.

Los enlaces o puentes de hidrógeno se presentan en mayor número en el agua sólida, en la red cristalina cada átomo de la molécula de agua está rodeado tetrahédricamente por cuatro átomos de hidrógeno de otras tantas moléculas de agua y así sucesivamente es como se conforma su estructura.

Cuando el agua sólida (hielo) se funde la estructura tetrahédrica se destruye y la densidad del agua líquida es mayor que la del agua sólida debido a que sus moléculas quedan más cerca entre sí, pero sigue habiendo enlaces por puente de hidrógeno entre las moléculas del agua líquida.

  • Tensión superficial


Las moléculas que forman el agua se atraen mutuamente y tienden a permanecer unidas. Las de la superficie, no tienen otras por encima que las atraigan, por lo que se unen más fuerza, formando una especie de membrana o capa elástica que es capaz de sostener un cuerpo ligero aunque sea más denso que el agua.

Por lo tanto la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de agua de la superficie se llama TENSIÓN SUPERFICIAL. Gracias a esa tensión superficial algunos insectos pueden andar sobre el agua; además debido a esa tensión superfcial la superficie del agua no es plana sino curva y forma un menisco, que en éste caso es cóncavo.


  • Capilaridad


Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial y a su vez ésta depende de la cohesión o atracción de las fuerzas intermoleculares del líquido y esto le da la capacidad de subir o bajar por un capilar.

Por ésta propiedad es que el agua se puede mover a través de las raíces de plantas y a través de los pequeños vasos sanguíneos en nuestros cuerpos. En forma líquida, es el enlace de hidrógeno el que empuja las moléculas de agua al unirse. Como resultado, el agua líquida tiene una estructura relativamente compacta y densa.

ALGUNAS FUNCIONES IMPORTANTES DEL AGUA EN EL ORGANISMO

  1. Es un disolvente polar universal

Desde la perspectiva biológica la propiedad más importante del agua es ser un excelente solvente general ya que puede disolver una gran variedad de solutos y esto se debe a su polaridad. La mayoría de las moléculas de la célula son polares y por lo tanto interaccionan electrostáticamente con el agua así como lo hacen los iones. La mayoría de las moléculas orgánicas pequeñas presentes en las células son hidrofílicas: azúcares, ácidos orgánicos, aminoácidos, etc.

Algunos compuestos biológicos son solubles en agua ya que existen como formas ionizadas al pH casi neutro de las células y por lo tanto son solubilizadas e hidratadas.

  1. Lugar donde se realizan reacciones químicas

En el agua de nuestro cuerpo se llevan a cabo las reacciones que nos permiten estar vivos, ya que forma el medio acuoso donde se desarrollan todos los procesos metabólicos que tienen lugar en nuestro organismo. Esto se debe a que las enzimas necesitan de un medio acuoso para su actividad. Las reacciones químicas se pueden llevar a cabo en el agua debido a que es un buen disolvente, tiene una elevada constante dieléctrica, y a su bajo grado de ionización.

  1. Función estructural

Por su elevada cohesión molecular, el agua confiere estructura, volumen y resistencia. Debido a la polaridad las moléculas de agua tienen afinidad por ellas mismas y tienden a orientarse espontáneamente de manera que el átomo electronegativo de Oxígeno de una molécula se asocia con los átomos de hidrógeno de las moléculas adyacentes (puentes de hidrógeno).

  1. Función de transporte

Debido a que puede ascender por las paredes de un capilar, los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte en su interior. Además el agua puede moverse en sentido ascendente a través de los tejidos conductores de las plantas.

Es el medio por el que se comunican las células de nuestros órganos y por el que se transporta el oxígeno y los nutrientes a nuestros tejidos. Además es la encargada de retirar de nuestro cuerpo los residuos y productos de desecho del metabolismo celular.

  1. Función amortiguadora

Debido a su elevada cohesión molecular, el agua sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento. Como en el caso de las articulaciones, ya que las protege de traumatismos.

  1. Función termorreguladora

Una función importante es el calor específico del agua lo que confiere al agua su capacidad estabilizadora de la temperatura y que deriva directamente de los puentes de hidrógeno. Así como también por su alto calor de vaporización permite regular la temperatura absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario.

Gracias a la elevada capacidad de evaporación del agua, podemos regular nuestra temperatura, sudando o perdiéndola por las mucosas, cuando la temperatura exterior es muy elevada es decir, contribuye a regular la temperatura corporal mediante la evaporación de agua a través de la piel.

  1. Desintoxicante

Los residuos que se generan durante el metabolismo de las proteínas, se disuelven en la sangre y son removidos antes de que se acumulen en concentraciones tóxicas. Por lo que los riñones los filtran de la sangre y los excretan mezclados con agua formando la orina. El organismo pierde agua por distintas vías: por la orina, las heces, el sudor y a través de los pulmones o de la piel, por lo que se tienen que recuperar con el agua que bebemos y la que contienen bebidas y alimentos para evitar la deshidratación.

h. Lubricante

Tanto en el aparato digestivo como todos los tejidos que son protegidos por mucosas, el agua evita la fricción entre ellos.

  1. Activa el metabolismo

Favorece el gasto metabólico en forma proporcional al volumen de agua ingerida, hasta un límite (2 a 3 litros de agua al día).

PURIFICACIÓN DEL AGUA

El agua puede contener muchos contaminantes dependiendo de su origen. Si se obtiene de un río en el cual se vierten aguas de alcantarillado, contiene bacterias y otros contaminantes, según la cantidad y el tipo de agua de alcantarillado que se hayan descargado en él. Por lo tanto esta agua es peligrosa para la mayoría de los usos y debe purificarse antes de utilizarla como agua potable.
El agua que se obtiene de los manantiales y de los pozos en algunos casos es potable, pero contiene sales de calcio, magnesio o hierro, con carbonato ácido (bicarbonato), carbonato o sulfato, debido a que el agua disuelve esas sales cuando se filtra a través de la tierra o de las rocas
De acuerdo a los componentes disueltos el agua se clasifica así: Agua dura y Agua blanda

  1. Agua dura: es el agua rica en sales minerales y las sales más comunes son: sulfatos, carbonatos, bicarbonatos, cloruros de calcio y magnesio. Un ejemplo de agua dura es la de manantiales y pozos profundos, debido a que el agua disuelve las sales cuando se filtra a través de la tierra o de las rocas.

Cuando se utiliza agua dura ésta forma sales insolubles con los jabones y por lo tanto no sirve para lavar ya que los cationes del agua (sales) reaccionan con los aniones del jabón, formando un jabón insoluble; lo que deja residuos en calderas, tuberías, asi como en las tinas de baño y en la piel. Por lo tanto su uso no es adecuado para la industria ni para el hogar.


  1. Agua blanda: es el agua que resulta del procesamiento químico o físico que se le realiza a las aguas duras para remover el exceso de sales minerales de calcio y magnesio.


El agua se puede purificar mediante los siguientes procesos:

  1. Filtración: no elimina dureza

  2. Destilación: elimina impurezas, solubles e insolubles

  3. Ablandamiento: utiliza substancias que separan los iones en solución.

  4. Cloración: adición de cloro para eliminar microorganismos patógenos.


ELIMINACIÓN DE IMPUREZAS EN EL AGUA

  1. Sedimentación, Filtración y Precipitación:

Debe dejarse en reposo para permitir que las partículas suspendidas, como el Iodo y el cieno, se sedimente; ya sedimentada se filtra a través de capas de arena y grava para eliminar el proceso de filtración, se pueden agregar compuestos químicos que sirven de ayuda filtrante, como cal y sulfato de aluminio. La cal (óxido de calcio) reacciona con el agua para formar hidróxido de calcio, el cual a su vez reacciona con el sulfato de aluminio para formar hidróxido de aluminio; el cuál es un precipitado gelatinoso e insoluble que ayuda a eliminar algunas bacterias del agua reteniéndolas en él. Éstas reacciones se ilustran a continuación:


CaO + H2O  Ca(OH)2

3 Ca(OH)2 + Al2(SO4)3 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3

  1. CLORACION:

Se adiciona cloro al agua para eliminar bacterias dañinas que hayan pasado a través del filtro. Con frecuencia se utiliza polvo blanqueador (una mezcla de hipoclorito de calcio, cloruro de calcio e hidróxido de calcio) en lugar de cloro gaseoso. Para prevenir el cólera se agrega cloro (1 a 2 ppm), el ión activo es el ClO- (hipoclorito). En el tratamiento puede agregarse: Cloro, hipoclorito de sodio e hipoclorito de calcio.

El agua muy contaminada necesita un tratamiento muy especializado antes de poderla considerar agua potable.
MÉTODOS QUE SE PUEDEN UTILIZAR PARA EL TRATAMIENTO DEL AGUA

  1. DESTILACION:

El agua se lleva a ebullición y el vapor formado se condensa en líquido de nuevo. Para obtener agua muy pura es probable que se tenga que repetir la destilación muchas veces, dependiendo de la cantidad de sales y de otras impurezas presentes.


  1. INTERCAMBIO IONICO:

Los iones de las sales se intercambian por iones menos perjudiciales que están en el intercambiador. Un tipo de intercambiador utiliza zeolita, que es un silicato hidratado de sodio-aluminio, el cual intercambia los iones calcio, magnesio o hierro, de las sales que están en el agua dura, por iones sodio. El agua dura que contiene las sales, se vierte en un tanque intercambiador que tiene zeolita en capas y los cationes de las sales se intercambian por iones de sodio.

Na2Z + CaSO4 Na2SO4 + CaZ

Las sales de sodio son solubles y no precipitan el jabón, ni interfieren con la formación de espuma. El tanque de zeolita que se utilizó puede regenerarse por medio de tratamiento con una solución concentrada de cloruro de sodio la cual vuelve a formar el Na2Z.


CaZ + 2NaCl  CaCl2 + Na2Z


Este es el principio en que se basan muchos ablandadores o suavizadores comerciales. Otro tipo de intercambiador de iones elimina los cationes (como calcio, magnesio y hierro) y los aniones (como bicarbonato, carbonato y sulfato) reemplazándolos por iones hidrógeno (H+) y iones hidróxido (OH-) respectivamente. El intercambiador está formado por dos tipos de resinas: una es la que intercambia los cationes por iones hidrógeno (H+) y la otra intercambia los aniones por los iones hidróxido (OH-). Este intercambio da como resultado la formación de agua de acuerdo con la siguiente ecuación:


H+ + OH- H2O


El agua que se purifica mediante este método se llama agua desmineralizada porque se eliminan todas las sales minerales.

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