3º CVT-Agua: Apunte 1

CIENCIAS DE LA VIDA Y DE LA TIERRA     

EJE 1: EL AGUA

       APUNTE Nº 1: Características físicas y químicas

                (con preguntas de reflexiòn)

El agua es la única sustancia que podemos encontrar en la Tierra de forma natural como gas (vapor de agua), líquido o sólido (hielo)

El agua es una sustancia muy importante. Una gran parte del cuerpo de los organismos esta formado por agua.

El agua químicamente pura es un líquido inodoro e insípido; incoloro y transparente en capas de poco espesor, toma color azul cuando se mira a través de espesores de seis y ocho metros, porque absorbe las radiaciones rojas.

Consiste en partículas minúsculas, los átomos

Uno de estos átomos se llama hidrógeno y el otro se llama oxígeno.

Una partícula de agua es llamada molécula. Cuando muchas moléculas de agua se unen podemos ver el agua, beberla o usarla.

   Molécula de agua

Composición del agua

Una molécula de agua consiste en la unión de 3 átomos: dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, enlazados juntos como pequeños imanes. La diferencia entre los átomos es expresada por números atómicos.

Los átomos del hidrógeno se atraen a otros átomos, como átomos de oxígeno, porque los electrones del hidrógeno son atraídos por los átomos de oxígeno. Consecuentemente los átomos de oxígeno tiene una carga parcial levemente negativa y los átomos del hidrógeno tienen una carga parcial levemente positiva. Los átomos con carga positiva del hidrógeno son atraídos por los átomos de oxígeno de carga negativa de otra molécula de agua. Estas fuerzas de la atracción se llaman enlaces de hidrógeno. Las fuerzas que sostienen dos moléculas juntas en un enlace de hidrógeno son mucho más fuertes que la fuerza entre las moléculas de los hidrocarburos. En la figura siguiente se esquematiza este tipo de unión.

   Enlaces de hidrógeno

Estados o fases del agua

El agua existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

A una temperatura normal cerca de 25º C es líquido, pero por debajo de 0º C se congelará y se volverá hielo. El agua se puede encontrar en estado gaseoso sobre 100º C, éste es el llamado punto de ebullición del agua, en el cual esta comienza a evaporarse. El agua en estado gaseoso es inodora e incolora. La “velocidad” de evaporación dependerá de la temperatura; si esta es alta el agua se evaporará más pronto.

Cambios de fase

Los cambios de líquido a sólido o a gas se llaman cambios de fases. Cuando una sustancia tal como el agua cambia de fase, su aspecto físico cambia, pero no sus propiedades químicas. Esto es porque la estructura química sigue siendo igual. En el estado sólido las moléculas de agua están bastante juntas, pero en el estado líquido están separadas un poco más. El agua llega a ser líquida como resultado de la dispersión de las moléculas. Cuando el agua cambia de líquido a gas las moléculas se dispersan aún más, esa es la razón por la que no podemos detectarla.

La solubilidad de las sustancias en el agua

La polaridad determina si una sustancia es soluble en agua. Una sustancia polar es una sustancia que tiene dos clases de polos, como un imán. Cuando otra sustancia es también polar los dos polos de las sustancias se atraen y consecuentemente las sustancias se mezclan. Por eso es una sustancia que se disuelve en           agua.
Las sustancias que no contienen ningún polo se llaman sustancias no polares. El aceite por ejemplo es una sustancia no polar, por eso  el aceite no se disuelve en agua. De hecho flota en el agua, como el hielo, debido a su menor densidad.

Aguas duras

Cuando el agua es calificada como dura simplemente significa que contiene más minerales que el agua ordinaria. Estos son especialmente minerales de calcio y magnesio. El grado de dureza es mayor cuanto más calcio y magnesio tenga             disuelto.
El magnesio y el calcio son iones positivamente cargados. Debido a su presencia, otras sustancias cargadas positivamente se disolverán menos fácil en aguas duras que en aguas que no contengan calcio y magnesio. Esta es la causa por la cual el jabón no se disuelve en agua dura.

Evaporación

Para que el agua se evapore, se necesita brindarle energía. Las moléculas de agua absorben esa energía individualmente. Debido a esta absorción de energía los enlaces de hidrógeno que conectan las moléculas de agua unas con otras se rompen. Las moléculas ahora están en el estado gaseoso; esto se llama vapor de agua. El cambio de fase de líquido a vapor se llama evaporación. Durante la evaporación una molécula de agua absorbe calor latente.

La densidad del agua

La densidad es la medida que nos dice cómo de compacta es una sustancia. Se define como la unidad de masa dividida po el volumen que ocupa. Normalmente los sólidos suelen ser la forma más densos que cualquier sustancia, después los líquidos y después los gases. Normalmente la densidad disminuye con el aumento de temperatura.

Sin embargo el agua pura es una excepción a todo esto ya que alcanza su mayor densidad cuando se encuentra a 4º C, aún en estado líquido. Cuando el agua se convierte en hielo los puentes de hidrógeno le dan una estructura perfecta y ordenada que hace que sea menos denso que el agua líquida a bajas temperaturas y por eso el hielo flota sobre el agua que la rodea.

La densidad del agua salada

 Con una concentración de sal determinada (en este caso el 35%), la densidad del agua salada desciende con la temperatura.

Añadir sal al agua aumenta su densidad e impide la formación de puentes de hidrógeno. Esto se traduce en que, a diferencia del agua pura, el agua salada no tiene su máxima densidad a 4º C sino cuando se congela y también se traduce en que el agua salada se congela a temperaturas por debajo de 0º C (por eso se pone sal en las carreteras en invierno, para que el hielo tarde más en formarse, ya que las temperaturas deben ser más bajas para congelarse.)

                                              

Estados físicos del agua

La vida animal y vegetal que se encuentra sobre la tierra y de las cuales el hombre depende para su sustentación, requiere la presencia de agua dulce.

El hombre utiliza ésta de diversas maneras. La única fuente de suministro básica procede de la atmósfera a través de la condensación del vapor de agua. .

El agua, mediante la evaporación, abandona las superficies marítimas y continentales volviendo de ésta forma a la atmósfera. Evidentemente las trayectorias que sigue el agua forman una compleja red. Existe un balance hídrico a nivel planetario.

Analizaremos conceptos y procesos básicos para una mayor comprensión de éste balance hídrico.

El agua se presenta bajo tres formas diferentes:

·     Sólido, congelado en forma de cristal de hielo.

·     Líquido, como agua

·     Gaseoso,  o vapor de agua.

Desde el estado gaseoso, las moléculas pueden pasar a líquido por condensación, pero si  las temperaturas son inferiores a 0º C, pasan directamente, por sublimación, a estado sólido en forma de agujas o cristales de hielo.

Por otra parte el paso de estado sólido (hielo) a gas (vapor de agua) también se denomina sublimación, aunque puede encontrarse también como “sublimación inversa “o “volatilización”

Se define como sublimación, al proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido

Mediante la evaporación, el agua líquida puede abandonar una superficie para convertirse en moléculas gaseosas, en forma de vapor de agua.

El agua pasa de estado líquido a sólido por congelación, y al revés por el proceso de fusión.

Estos cambios pueden verse en el triángulo en el cual los tres estados en que se presenta el agua ocupan cada uno de los vértices y las flechas indican los seis posibles cambios de estado.

 

HUMEDAD

El concepto de Humedad se refiere a la cantidad de vapor de agua presente en el aire.

Dada una determinada temperatura, la cantidad de humedad que puede contener una porciòn de aire, tiene un límite que se conoce como “punto de saturación”.

Al vapor de agua contenido en esa porción de aire, se lo conoce como “humedad relativa”.

Y se expresa en un tanto por ciento con respecto al 100% que correspondería al aire saturado de vapor de agua.

La humedad relativa es la utilizada en meteorología.

No es realmente una medida de la cantidad de vapor de agua que contiene el aire, sino una relación del vapor de agua contenido según su capacidad.

Ejemplo:

Cuando en una porción de aire a una determinada temperatura, existe la mitad de vapor posible que ese aire podría contener, la humedad relativa es del 50% (la mitad del 100%)

Cuando el aire contiene toda la humedad que podría contener, está saturado y es cuando la humedad relativa alcanza al 100%.

Cuando se supera la humedad que el aire puede absorber,  precipita.

Tener en cuenta que las masas de aire caliente, retienen más humedad que el aire frío.

Para cada temperatura el aire puede tener una cantidad de moléculas de agua. La explicación de esto es compleja y está relacionada tanto con parámetros físicos y químicos. Para no hacer demasiado complicada la explicación vamos a suponer que lo único que afectase al aire al calentarse fuese el grado de excitación de las partículas.

Si calentamos el aire las moléculas que lo componen se moverán más rápido.

Al moverse más rápido ocupan más porque se dilatan o lo que es lo mismo, en el mismo espacio habrá menos moléculas de aire.

Es en ese momento en el que el aire puede contener más moléculas de agua.

Por otro lado, cuando el aire se enfría el vapor de agua se condensa y precipita, como consecuencia la masa de aire frío retiene menos humedad.
La máxima cantidad de vapor de agua contenida en un metro cúbico de aire saturado disminuye cuando baja la temperatura. A 40º C, puede contener 51 gramos; a 20º C, 17 gramos; y, a 0º C, sólo 5 gramos.

 

Actividades de reflexión:

Resolver las siguientes preguntas

1. ¿Cómo se forma una molécula de agua?

2. ¿Cómo se enlazan las moléculas de agua?

3. ¿A qué se llama enlaces de hidrógeno?

4. ¿A qué temperaturas el agua alcanza sus diferentes estados?

5. ¿Qué ocurre con las propiedades del agua cuando cambia de fase?

6. ¿Por qué no podemos ver el agua en estado gaseoso?

7. ¿Qué es la polaridad de una sustancia?

8. ¿Por qué el aceite no es soluble en agua?

9. Averigua si los hidrocarburos son o no solubles en agua

10. ¿Qué elementos definen a las aguas duras?

11. ¿Por qué  se convierten en vapor las moléculas de agua en estado líquido?

12. ¿Por qué el hielo flota en el agua?

13. ¿Según el gráfico “pure water”, a qué temperatura el agua tiene mayor y menor densidad?

14. Investigá como funciona un “globo aerostático”