El Agua: Propiedades, Ciclo y Importancia para la Vida

Estados del Agua

El agua existe en la naturaleza en los tres estados físicos: sólido, líquido y vapor. Ocupa aproximadamente ¾ partes de la corteza terrestre. Existe en las estrellas y en los seres vivos, conteniendo el cuerpo humano un 70% de agua.

Ciclo del Agua

El agua es primordial para la vida y existe un ciclo en la naturaleza.

• El calor evapora el agua de los ríos y mares, y ese vapor es el que da la humedad atmosférica.
• En las altas capas de la atmósfera, el vapor se condensa por enfriamiento, constituyendo pequeñas gotitas y formando las nubes.
• Si el enfriamiento es mayor, se unen las gotitas y forman gotas grandes que caen originando la lluvia.
• Si el enfriamiento es mayor y se produce lentamente, se llega a la solidificación formándose la nieve en forma cristalina.
• Si el enfriamiento se ha producido en forma brusca, origina el granizo, que carece de forma cristalina.
• El rocío es la condensación del vapor de agua sobre los objetos al ras de la tierra al producirse un enfriamiento, sobre todo por las mañanas, y si dicho enfriamiento es mayor, se solidifica formando la escarcha.

Vuelta el agua a la tierra bajo cualquiera de las formas, parte se vuelca a los ríos y mares, parte penetra en la tierra y parte se evapora, cerrándose el ciclo. El agua de lluvia es limpia, pero no pura, pues al caer disuelve los gases de la atmósfera. Además, al caer a la tierra disuelve sustancias calcáreas y sustancias orgánicas. Pueden hallarse también en el agua de lluvia nitrato y nitrito de amonio por oxidación del N₂. El agua, tanto de lluvia como la nieve y los glaciares, tienen un efecto geológico de erosión tendiendo a nivelar los terrenos.

Aguas Subterráneas

Al penetrar el agua en la corteza, llega filtrada a la primera capa impermeable sobre la cual se traslada horizontalmente buscando su nivel. La primera napa se llama freática y contiene las aguas más impuras por todos los residuos orgánicos que lleva. El agua puede penetrar a una 2ª o 3ª napa y allí ya es más pura, pues se ha filtrado en el camino, pero se impurifica mineralmente, al disolver sustancias minerales.

Salinidad de los Mares

Las aguas superficiales y profundas van en última instancia a parar al mar, de donde solo se evapora el agua, aumentando así la concentración salina. Esta salinidad es más o menos uniforme debido a las corrientes marinas que tienden a igualarlo. Aproximadamente hay un 3,5% de sales, de los cuales el 2,7% es de NaCl, existiendo además KCl, Na₂SO₄, K₂SO₄, MgSO₄, NaHCO₃. El mismo Au existe aunque en pequeñísimas cantidades. Hay mares con mayor concentración salina como el Mar Muerto con un 23% de sales.

Influencia de la Vegetación en las Lluvias

Se ha visto que los vegetales tienen una acción sobre el régimen de lluvias de un país. Los países con mucha vegetación tienen régimen de lluvias constante. Se ha visto que la tala de bosques ha transformado zonas fértiles en desérticas.

Las razones son varias, por ejemplo, una de ellas es el hecho de que la parte verde de los vegetales absorbe todas las radiaciones menos el verde y sobre todo el complementario que es el rojo, que es la zona más caliente del espectro, produciendo absorción de las radiaciones caloríficas solares, produciendo un descenso de la temperatura que acerca a la atmósfera a la saturación, formando así las nubes y originando las lluvias.

Propiedades del Agua

Estructura Molecular

Sabemos que el agua es líquida a la temperatura ordinaria, que presenta enlaces de hidrógeno originando la fórmula (H₂O)_n donde n varía con la temperatura. Los líquidos que muestran este comportamiento se llaman líquidos asociados para diferenciarlos de los ideales. La estructura del hielo es tetraédrica de CH distorsionados en tal forma que dos de los H están más cerca del O₂ central que los otros dos, como consecuencia de la electronegatividad del O.

Existe pues el enlace O-H-O formando una red y la molécula gigante resultante tiene una estructura relativamente abierta como consecuencia de esos enlaces H dirigidos.

Cuando el hielo se funde, la energía promedio aumenta y permite la ruptura de los enlaces H, pero todavía hay restos de distribución tetraédrica, es decir, se destruye un cristal grande de hielo y se forman numerosos microcristales de hielo.

Densidad

Respecto a la densidad, se ha visto que a 4°C presenta la máxima densidad de 1 g/cm³. A 0°C su densidad vale 0,99987 y a 10°C es de 0,99973 g/cm³ y como consecuencia el hielo flota y el agua al congelar aumenta de volumen, provocando en la naturaleza la disgregación de rocas y en los países fríos, la rotura de las cañerías de Pb de las casas.

La densidad más baja del hielo está asociada con la estructura abierta requerida para el enlace H. Cuando el hielo se funde, se destruyen algunos enlaces y junto a esto la estructura abierta asociada con el hielo cambia a un empaquetamiento más denso. Ordinariamente la densidad de un líquido disminuye con la temperatura y a temperaturas altas las moléculas vibran con más violencia y requieren más espacio.

En el agua encontramos dos efectos en competencia: al aumentar la temperatura, las vibraciones de las moléculas requieren más espacio, pero al mismo tiempo se rompe el enlace y resulta un empaquetamiento más denso. Por debajo de 4°C el factor de ruptura es más importante y esto conduce a un aumento de densidad, a pesar de que esto se opone a la expansión normal de los líquidos. Por encima de 4°C predomina la expansión normal, pero el rompimiento de la estructura es más evidente por debajo de 60°C, solo cerca del punto de ebullición, la densidad varía con la temperatura como un líquido normal.

Compresibilidad

El agua es muy poco compresible y esto es importante en las prensas de aceite donde se usa el agua como líquido, con la ventaja de que si se produce rotura o escape no hay peligro, porque al escaparse un poco de agua, la presión baja enseguida. Entre 1 y 25 atmósferas, el aumento de presión de 1 atmósfera reduce el volumen solamente 5 partes por cada 100.000.

Conductividad Térmica

El agua en general no es buen conductor del calor, pero de los líquidos, excepto el Hg, es el mejor. El calor se propaga por convección, es decir, con movimiento de las moléculas, por eso conviene calentar desde abajo.

Calor Específico

El agua ha sido usada para definir la caloría, luego su calor específico es la unidad. Eso explica por qué el agua de mar es un regulador de temperatura, pues debido a su calor específico elevado, absorbe el calor del sol y por la noche lo irradia, de manera de mantener la temperatura constante, a diferencia de los continentes, donde la tierra se calienta mucho de día y se enfría por la noche, porque el calor absorbido queda en la superficie.

Puntos de Fusión y Ebullición

Se deben recordar las temperaturas de fusión y de ebullición que eran de 0°C y 100°C respectivamente, valores influenciados por la presión. Su calor de fusión es de 80 cal/g y el de vaporización es de 540 cal/g, valores altos, lo que implica su uso industrial en la aplicación del vapor como fuerza motriz en las calderas, así como también en el transporte de calor en procesos de calefacción.

Disociación

Cuando se producen descargas eléctricas a través del vapor de agua, se descompone. También por acción del calor se disocia en H₂ y O₂. Se alcanza un equilibrio y solo a altas temperaturas se hace apreciable. Ej:

• 1124°C se disocia un 0,0073%
• 1984°C un 0,77%
• 2369°C un 4,3%
• 2488°C un 8,6%
• 2656°C un 11,1%

La elevada constante dieléctrica del agua lo hace un solvente ideal para la disociación de electrólitos, debido a que la energía requerida para separar en el agua dos partículas de cargas opuestas es pequeña. Aunque el enlace O-H en el agua no es iónico, ésta es fuertemente polar, luego se admite la autoionización:

H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^–

lo que indica su comportamiento como ácido y como base. Recordar K_w y el pH.

Propiedades Químicas

Hay muchos elementos que la descomponen, algunos en frío como el Na y el K, otros en caliente como el Mg, el Fe, algunos no metales como el C también la descomponen. Los halógenos producen:

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO
HClO = HCl + ½ O₂

Ya hemos visto que los óxidos con agua dan hidróxidos como el CaO; otros dan ácidos como el SO₃. Hay muchas sales que se descomponen por el agua (hidrólisis) tales como el SnCl₂, BiCl₃, Al₂S₃, PCl₃, etc.

Agua Potable

Siendo imprescindible para la vida humana, el agua para que sea potable debe reunir una serie de condiciones que son:

• Debe contener gases en disolución.
• Debe contener sales.
• No debe contener microorganismos patógenos.
• No debe contener sustancias orgánicas en putrefacción.
• Debe formar espuma con el jabón y cocer las legumbres.

Las poblaciones grandes necesitan grandes cantidades de agua potable y por lo tanto las aguas de los ríos o de los pozos que se utilizan deben sufrir una serie de tratamientos a fin de hacerlas potables y evitar así enfermedades infecciosas tales como el cólera, la disentería, fiebre tifoidea, etc. que son transmisibles a través del agua.