El agua y las soluciones acuosas

• El agua

Las partes de la Tierra de interés químico son la corteza terrestre, la atmósfera y la hidrósfera. El agua es la sustancia más importante de la Tierra (la vida sería inconcebible sin ella y está implicada en casi todas las reacciones químicas, tanto como reactivo o como el medio en el que se producen).
Cada molécula de agua, H2O, se compone de un átomo de oxígeno unido a dos de hidrógeno, formando un ángulo de 105º.

La geometría de la molécula de agua, y el hecho de que el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, por lo que atrae más fuertemente el par de electrones compartido con cada hidrógeno, justifica que sea polar (presenta un polo negativo en el oxígeno, y otro positivo entre los átomos de hidrógeno), lo que hace que el agua sea un buen disolvente polar.
Se estima que en la Tierra hay  del orden de 1.400 millones de kilómetros cúbicos de agua. La mayor parte corresponde a agua salada que se encuentra en mares y océanos. El resto (del orden del 2,7 %) se denomina agua dulce. Del agua dulce existente, un 69% corresponde a agua atrapada en glaciares y nieves eternas, un 30% está constituida por aguas subterráneas y el resto (del orden del 1%) se encuentra en ríos y lagos, humedad del suelo y vapor en la atmósfera. En su primera formación en la atmósfera, las gotitas de agua o los cristalitos de hielo son pequeños, de 5 milésimas a 5 centésimas de milímetro. Estas gotitas o cristalitos son tan pequeños que flotan; en el aire y forman las nubes; cuando se aglomeran en gotas más grandes, de una a cinco décimas de milímetro, dan lugar a la lluvia. El agua natural está en continuo movimiento (se evapora, se condensa, se filtra por la tierra, se arrastra por los ríos al mar, los hielos de los polos se rompen, migran, se funden, etc.), en lo que se conoce como ciclo hidrológico o ciclo del agua. Por la respiración de los seres vivos y la transpiración de las plantas también pasan a la atmósfera importantes cantidades de vapor de agua.

Las causas últimas del ciclo del agua son la energía solar (necesaria para calentar el agua y evaporarla) y la fuerza de la gravedad. Los estudios de los procesos implicados en el ciclo permiten estimar que una molécula de agua pasa, en promedio, unos diez días en la atmósfera, y unas dos semanas en ríos y superficies continentales, por cada 36.000 años que se pasa en los océanos. Además, de forma esporádica, esa gota pasa a formar parte de los procesos biológicos de algún ser vivo.
El agua, aún siendo tan común y habitual para nosotros, es un líquido extremadamente complejo, porque sus propiedades difieren mucho de las de otros líquidos. Casi todas sus propiedades parecen encontrarse al revés: es un líquido a temperatura ambiente cuando grupo en el sistema periódico, como el sulfuro de hidrógeno, H2S); su forma sólida (hielo) flota en su forma líquida; a diferencia de los “líquidos normales”, en los que sus moléculas se mueven con mucha independencia, en el agua existe un cierto orden colectivo, es decir, las moléculas se “pegan” mucho unas a otras y ello le confiere altos valores en su viscosidad, tensión superficial, calor específico y calores de vaporización y solidificación. Las especiales interacciones moleculares, que se conocen como puentes de hidrógeno, son los responsables del curioso comportamiento del agua. Dentro de la molécula de agua, H y O están unidos por enlace covalente polar; fuera, existen las fuerzas intermoleculares que son, en general, mucho más débiles. El puente de hidrógeno aparece en, relativamente, pocas moléculas, pero es muy importante en el agua ya que si no existiera, ésta sería gas a 25ºC.

Además, el agua disuelve una gran variedad de sólidos, pero no reacciona químicamente con ellos. Todas estas propiedades, casi únicas, contribuyen a su utilidad.
El agua se emplea como agente transmisor del calor (bien como refrigerante, como calefactor, como en radiadores, etc.); disolvente, soporte de reacciones, alimentación, limpieza, regadíos, etc. Además es una materia prima de interés en muchas reacciones químicas industriales.
El agua existe en la naturaleza no pura, debido a las características del ciclo del agua. Las gotas de lluvia se mezclan con partículas de polvo y gases de la atmósfera, como O2, N2 y CO2, aparte de los óxidos de azufre y de nitrógeno causantes de la lluvia ácida. Al desplazarse por la superficie terrestre, el agua disuelve sales, arrastra sustancias sólidas. Algunos iones típicos  que se encuentran en el agua son los cationes: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Fe3+, y los aniones: HCO3-, SO42-, Cl-, NO3-, F- y PO43-.  Especialmente importantes son los cationes de calcio y de magnesio, porque su presencia disminuye la capacidad de uso del agua en el lavado y favorece la precipitación de sales en caños y calderas. Cuando el agua tiene un alto contenido de esos cationes se denomina agua dura, si el contenido es bajo se le denomina agua blanda.

Cuestionario:

1. ¿Qué es el agua? Menciona sus propiedades intensivas.
2. Investiga qué es el agua potable y como se potabiliza el agua en nuestro país.
3. ¿Cómo se produce la lluvia ácida? ¿Qué ocasiona?
4. ¿Cómo contribuye el vapor de agua al efecto invernadero? Explica detalladamente.

• Las soluciones acuosas:

Es poco frecuente encontrar sustancias puras en la Tierra, ya que se encuentran en la naturaleza formando mezclas. Las mezclas homogéneas se denominan soluciones, y si el solvente de dicha solución es el agua, entonces las denominamos soluciones acuosas.

 La estructura de la molécula de agua la hace capaz de actuar como un disolvente poderoso de muchas sustancias. Si se introduce un cristal de cloruro de sodio en agua, las moléculas de agua rodean a los iones de sodio y cloro, atrayéndolos por sus extremos negativos o positivos, respectivamente. El movimiento de las moléculas de agua arrastra a los iones que se dispersan por ella, formando una disolución de cloruro de sodio en agua. Ello hace que en la naturaleza exista un enorme número de disoluciones acuosas. 


A los solutos covalentes polares los disuelve por formación de puentes de hidrógeno con los radicales polares, como es el ejemplo de la disolución de la sacarosa en el agua. 

Un concepto clave en las soluciones es el de concentración, que es la relación entre la cantidad de soluto y la cantidad de solvente, y que puede expresarse de muy diferentes maneas. Las formas más frecuentes de expresarla son:

• Coloides

Las dispersiones coloidales, o coloides, son una situación intermedia entre los sistemas homogéneos y los heterogéneos. Las partículas dispersas son más grandes que en una solución, pero más pequeñas que en un sistema heterogéneo. El tamaño típico de una partícula en  un coloide es de un micrómetro (una milésima de milímetro); en una solución, el valor típico es de un nanómetro (una millonésima de milímetro).  En un coloide, las partículas y la separación de fases no pueden observarse a simple vista, pero si con un buen microscopio, y también mediante algunas propiedades ópticas. Por ejemplo, la turbidez de muchos líquidos se debe a que tienen partículas en suspensión, a que son coloides. Estos coloides tienen mucha importancia ya que muchas de las mezclas que nos rodean son coloides, como por ejemplo: la leche, la gelatina,  la niebla o la sangre.

Los coloides se clasifican según la fase en la que se encuentra cada uno de los componentes principales. Los más importantes son: 

Los ejemplos citados anteriormente, permiten mostrar la importancia de los coloides en la vida. La química de coloides desempeña un papel importante en muchas industrias, especialmente la de alimentación y la farmacéutica.  Muchas pinturas y productos de limpieza son geles o emulsiones. También, una de las causas de que los jabones y detergentes ayuden en la limpieza es su capacidad para estabilizar emulsiones de grasas en agua.

Al igual que los coloides, las soluciones son también fundamentales en la química de la vida y en el mundo que nos rodea. Nuestro cuerpo es agua en su mayor parte, ingerimos parte de nuestro alimento en forma de soluciones y eliminamos parte de nuestros residuos de la misma manera. La sangre es una solución acuosa que, además, lleva células en suspensión. Las soluciones utilizadas de forma constante en nuestra vida diaria y en la industria: muchos productos de limpieza, el agua oxigenada,  y el anticongelante de automóvil son disoluciones; las gasolinas son también sistemas homogéneos de varios constituyentes. Por todo ello, es que las propiedades de las disoluciones son muy importantes y han sido ampliamente estudiadas.

• Ácidos y Bases:

El concepto de acidez nos resulta familiar. Sabemos que el limón y el vinagre tienen sabor ácido, o decimos: “tengo acidez estomacal, voy a tomar un antiácido”. Desde el punto de vista químico se denomina ácido a toda sustancia que, en solución acuosa, libera o cede iones H+:        

Las soluciones ácidas tienen propiedades comunes a todas ellas:

• Cambian de color a ciertas sustancias llamados reactivos indicadores .
• Reaccionan  con la mayoría de los metales produciendo hidrógeno.

Las bases también conviven con nosotros; en general muchos de los productos de limpieza son bases. Éstas se caracterizan porque son resbalosas al tacto, cambian de color a los reactivos indicadores (con tonalidades diferentes a los ácidos). Denominamos base, a toda sustancia que en solución acuosa libera iones OH-.  

• pH:

En la naturaleza existen millones de soluciones acuosas que, en general, no son neutras. En muchos casos contienen sustancias que al disolverse en agua producen iones H+. Cuando la concentración de iones H+ en una solución es mayor que la que existe en el agua pura, se dice que la solución es ácida. Y por el contrario, cuando otras sustancias al disolverse en agua, producen iones OH-, la cantidad de iones OH- en la solución es mayor que la que hay en el agua pura, se dice que la solución es básica o alcalina. 

El agua pura se autoioniza, es decir se ioniza para dar un H+ y un OH-, según el siguiente equilibrio:   

Esto significa que en el agua líquida coexisten las tres especies: H2O, H+ y OH-.

En este equilibrio que existe en el agua pura, la concentración molar  de ambos iones es de 1×10-7 M. Y se cumple que a 25ºC:   

Para clasificar a las soluciones acuosas empleamos una magnitud, llamada pH, cuyos valores normalmente van del 0 al 14, y que está directamente asociada con [H+] como se indica en la siguiente tabla con algunos ejemplos: 

El pH se calcula siguiendo la siguiente expresión matemática:

 Cálculo de pH de las soluciones de la tabla anterior:

De esta forma, una solución ácida tiene un pH menor que 7 y una básica tiene un pH mayor que 7.

Los valores de pH que se indican a continuación son aproximados, pero dan una buena idea de la variedad de comportamiento ácido o básico que existe:

En el siguiente link, podrás observar una presentación del tema pH: Presentación de pH