Sexta semana del tercer periodo grado noveno

Cohesión y adhesión del agua

 

La cohesión del agua

¿Alguna vez has llenado un vaso de agua hasta arriba y le has añadido lentamente unas cuantas gotas más? Antes de que se desborde, el agua forma una especie de domo por encima del borde del vaso. Esta especie de cúpula se forma gracias a las propiedades cohesivas de las moléculas de agua, esto es, su tendencia a pegarse unas con otras. La cohesión se refiere a la atracción que tienen las moléculas por otras de su mismo tipo, y las moléculas de agua tienen fuerzas cohesivas fuertes gracias a su habilidad para formar puentes de hidrógeno entre ellas.

 

Las fuerzas cohesivas son las responsables de la tensión superficial, un fenómeno que resulta en la tendencia de la superficie de un líquido a resistirse a la ruptura cuando se le somete a tensión o estrés. Las moléculas de agua en la superficie (en la interfase entre el agua y el aire) formarán puentes de hidrógeno con sus vecinas, al igual que las moléculas que se encuentran a mayor profundidad en el líquido. Sin embargo, como están expuestas al aire por uno de sus lados, tendrán menos moléculas de agua con las cuales unirse y los enlaces formados entre ellas serán más fuertes. La tensión superficial hace que el agua forme pequeñas gotas esféricas y le permite soportar pequeños objetos, como un pedazo de papel o una aguja, si se colocan con cuidado en su superficie.

 

La adherencia del agua

El agua tiende a pegarse a sí misma, pero bajo ciertas circunstancias, se adhiere a otros tipos de moléculas. La adhesión es la atracción de moléculas de un tipo por moléculas de otro tipo, y para el agua puede ser bastante fuerte, especialmente cuando las otras moléculas tienen cargas positivas o negativas.

 

Por ejemplo, la adhesión permite que el agua "suba" a través de delgados tubos de vidrio (llamados capilares) colocados en un vaso de agua. Este movimiento ascendente en contra de la gravedad, conocido como capilaridad, depende de la atracción entre las moléculas de agua y las paredes de vidrio del tubo (adhesión), así como de las interacciones entre las moléculas de agua (cohesión).

 

Las moléculas de agua son atraídas con mayor fuerza al vidrio que a las otras moléculas de agua (porque las moléculas de vidrio tienen mayor polaridad que las del agua). Puedes ver esto en la imagen a continuación: el agua tiene su punto más alto donde hace contacto con los bordes del tubo y el más bajo en el centro. La superficie curva formada por un líquido en un cilindro o tubo se llama menisco.

 

¿Por qué son importantes para la vida las fuerzas de cohesión y adhesión? Porque son parte de muchos procesos biológicos basados en agua, como el movimiento del agua hacia la copa de los árboles y el drenaje de las lágrimas de los lagrimales de tus ojos. Un ejemplo sencillo de la cohesión en acción es el patinador de agua (abajo), un insecto que depende de la tensión superficial para permanecer a flote sobre la superficie. 

Zapatero (Gerris lacustris)

 

Quinta semana del tercer periodo grado noveno

Ácidos y bases de Arrhenius

Puntos más importantes

• Un ácido de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en una solución acuosa.
   
• Una base de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript en una solución acuosa.
   
• En solución acuosa, los iones $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript reaccionan inmediatamente con las moléculas de agua para formar iones hidronio, $\text{H}_3\text{O}^+$start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.
   
• En una reacción ácido-base o reacción de neutralización, un ácido y una base de Arrhenius reaccionan generalmente para formar agua y una sal.

¡Del vinagre en tu despensa hasta el jabón en la ducha, los ácidos y bases están por todas partes! Pero ¿qué significa decir que algo es ácido o básico? Para responder a esta pregunta, necesitamos examinar algunas de las teorías que describen los ácidos y las bases.

Los ácidos de Arrhenius

La teoría de ácidos y bases de Arrhenius fue propuesta originalmente por el químico sueco Svante Arrhenius en 1884, quien sugirió clasificar ciertos compuestos como ácidos o bases de acuerdo con el tipo de iones que se forman cuando el compuesto se añade al agua.

 

Un ácido de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de iones $\greenD{\text{H}^+}$start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 (o protones) en solución acuosa. Por ejemplo, consideremos la reacción de disociación para el ácido clorhídrico, $\text{HCl}$, en agua:

 

Cuando hacemos una solución acuosa de ácido clorhídrico, el $\greenD{\text{H}}\text{Cl}$ se disocia en iones $\greenD{\text{H}^+}$ y $\text{Cl}^-$start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript. Ya que esto resulta en un aumento en la concentración de iones $\greenD{\text{H}^+}$start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 en solución, el ácido clorhídrico es considerado un ácido de Arrhenius.  

Las bases de Arrhenius

Una base de Arrhenius se define como cualquier especie que aumenta la concentración de iones hidróxido, $\redD{\text{OH}^-}$start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, en solución acuosa. Un ejemplo de una base de Arrhenius es el hidróxido de sodio, $\text{NaOH}$, que es altamente soluble. El hidróxido de sodio se disocia en agua de la manera siguiente:

 

En agua, el hidróxido de sodio se disocia completamente para formar iones $\redD{\text{OH}^-}$ y $\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, resultando en un incremento en la concentración de iones hidróxido. Por lo tanto, $\text{NaOH}$ es una base de Arrhenius. Las bases de Arrhenius más comunes incluyen otros hidróxidos del grupo 1 y grupo 2 como $\text{LiOH}$ y $\text{Ba(OH)}_2$start text, B, a, left parenthesis, O, H, right parenthesis, end text, start subscript, 2, end subscript.

 

Reacciones ácido-base: ácido de Arrhenius + base de Arrhenius = agua + sal

Cuando un ácido de Arrhenius reacciona con una base de Arrhenius, los productos son generalmente agua y una sal. Estas reacciones también se conocen como reacciones de neutralización. Por ejemplo, ¿qué pasa cuando combinamos soluciones acuosas de ácido fluorhídrico $\text{HF}$ y de hidróxido de litio $\text{LiOH}$?

 

Si pensamos en la solución ácida y la solución básica por separado, sabemos que:

 

Un ácido de Arrhenius aumenta la concentración de $\greenD{\text H^+}(ac)$:

Una base de Arrhenius aumenta la concentración de $\redD{\text{OH}^-}(ac)$:

 

Cuando el ácido y la base se combinan en la solución, se produce $\text H_2 \text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text a partir de la reacción entre los iones hidrógeno y los iones hidróxido, mientras que los otros iones forman la sal $\text{LiF}(ac)$start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis:

 

Si sumamos las reacciones para la formación de agua y la formación de la sal, obtenemos la reacción general de neutralización entre el ácido fluorhídrico y el hidróxido de litio: 

 

Reacciones de neutralización

Este tipo de reacción química se produce cuando una sustancia básica y otra ácida interaccionan de tal manera que se neutralizan formando un compuesto neutro y agua.

 

Cuarta semana del tercer periodo grado noveno

Tercera semana del tercer periodo grado noveno

Propiedades disolventes del agua

¿La vida alguna vez te ha dado limones? De ser así, seguramente seguiste el viejo refrán e hiciste limonada, que por supuesto, llevaba ¡mucha azúcar! Si le has puesto azúcar a la limonada (o al té o a cualquier otra bebida basada en agua) y has observado cómo se disuelve, entonces ya has visto las propiedades disolventes del agua en acción. Un solvente es una sustancia que puede disolver otras moléculas y compuestos, a los que se les conoce como solutos. Una mezcla homogénea de solvente y soluto se llama solución. Buena parte de la química de la vida se lleva a cabo en soluciones acuosas, es decir, soluciones en las que el agua es el solvente.

Debido a su polaridad y su habilidad para formar puentes de hidrógeno, el agua es un excelente solvente, lo que significa que puede disolver muchos tipos de moléculas diferentes. La mayoría de las reacciones químicas importantes para la vida se realizan en un ambiente acuoso dentro de las células y la capacidad del agua para disolver una amplia variedad de moléculas es fundamental para que dichas reacciones puedan llevarse a cabo.

Propiedades disolventes del agua

A veces se dice que el agua es el "solvente universal" gracias a su habilidad para disolver una amplia gama de solutos. Sin embargo, este nombre no es completamente exacto, ya que existen algunas sustancias (como los aceites) que no se disuelven bien en agua. De manera general, el agua es buena para disolver iones y moléculas polares, pero mala para disolver moléculas no polares. (Una molécula polar es aquella que es neutral, no tiene una carga neta, pero tiene una distribución interna de cargas que forman una región parcialmente positiva y una región parcialmente negativa).

El agua interactúa de manera diferente con sustancias polares y no polares debido a la polaridad de sus propias moléculas. Las moléculas de agua son polares, con cargas parciales positivas en los hidrógenos, una carga parcial negativa en el oxígeno y una estructura general angular. La distribución desigual de cargas en la molécula del agua refleja la mayor electronegatividad, o avidez de electrones, del oxígeno con respecto al hidrógeno: los electrones compartidos de los enlaces O-H pasan más tiempo con el átomo de O que con los de H. En la imagen siguiente se representan las cargas parciales positivas y negativas en la molécula de agua por medio de los símbolos δ$^+$start superscript, plus, end superscript y δ$^-$start superscript, minus, end superscript, respectivamente.

Debido a su polaridad, el agua puede formar interacciones electrostáticas (atracciones basadas en cargas) con otras moléculas polares y con iones. Las moléculas polares y los iones interactúan con los extremos parcialmente positivos y negativos del agua, de manera que las cargas positivas atraen a las negativas (como en los extremos + y - de los imanes). Cuando hay muchas más moléculas de agua en relación con las de soluto, como en una solución acuosa, estas interacciones forman una capa esférica de moléculas de agua alrededor del soluto, llamada capa de hidratación. Las capas de hidratación permiten la dispersión (distribución) uniforme de partículas en el agua.

¿Cómo es que la formación de una capa de hidratación hace que se disuelva un soluto? Como ejemplo, consideremos lo que le sucede a un compuesto iónico, como la sal de mesa (NaCl), cuando es agregada al agua.

Si se revuelve sal de mesa en agua, la red cristalina del NaCl comenzará a disociarse en iones de Na$^+$start superscript, plus, end superscript y Cl${}^{-}$start superscript, minus, end superscript. (La disociación es solo un nombre para el proceso por el cual un compuesto o molécula se separa para formar iones). Las moléculas de agua forman capas de hidratación alrededor de los iones: los iones Na$^+$start superscript, plus, end superscript con carga positiva son rodeados por las cargas parciales negativas del lado del oxígeno de las moléculas de agua, mientras que los iones Cl$^-$start superscript, minus, end superscript cargados negativamente son rodeados por los extremos del hidrógeno con carga parcial positiva. Durante este proceso, todos los iones en los cristales de la sal de mesa son rodeados por capas de hidratación y dispersados en la solución.

Las moléculas no polares, como las grasas y los aceites, no interactúan con el agua ni forman capas de hidratación. Estas moléculas no tienen regiones de cargas parciales positivas o negativas por lo que no son atraídas electrostáticamente por las moléculas de agua. Por eso, en lugar de disolverse, las sustancias no polares (como los aceites) se mantienen separadas y forman capas o gotas cuando se ponen en agua.

Agua y aceite

Lamparas de lava

Segunda semana del tercer periodo grado noveno

Introducción a las propiedades del agua

Eres una bolsa de agua que habla, aprende y fabrica herramientas. Bueno, esto no es totalmente justo que digamos, pero casi lo es, ya que entre el 60-70% del cuerpo humano es agua. Y no solo son los humanos, la mayoría de los animales e incluso las minúsculas bacterias están hechas en su mayor parte de agua${}^{\mathrm{}}$start superscript, 1, end superscri. El agua es la clave para la existencia de la vida tal y como la conocemos. Esto puede sonar impresionante, pero es verdad ¡y las cosas impresionantes que son ciertas son las que hacen que la vida sea interesante! La mayor parte de la química celular y el metabolismo de un organismo ocurren en el medio acuoso dentro de sus células, conocido como citosol o hialoplasma.

El agua no solo es muy común en los cuerpos de los organismos, sino que también tiene algunas propiedades químicas inusuales que la hacen ideal para sostener la vida. Estas propiedades son importantes para la biología en diferentes niveles, desde las células y los organismos, hasta los ecosistemas. En los siguientes artículos, podrás saber más acerca de las propiedades vitales del agua:

• Propiedades disolventes del agua: cómo y por qué el agua disuelve muchas moléculas polares y con carga.

• Cohesión y adhesión del agua: el agua puede pegarse a si misma (cohesión) y a otras moléculas (adhesión).

• Calor específico, calor de vaporización y densidad del agua: el agua tiene una alta capacidad calorífica y calor de vaporización, y el hielo (agua sólida) es menos denso que el agua líquida.

El agua debe estas propiedades únicas a la polaridad de sus moléculas y, específicamente, a su habilidad para formar puentes o enlaces de hidrógeno entre ellas y con otras moléculas. Aquí veremos cómo funcionan estos puentes de hidrógeno.

Polaridad de las moléculas de agua

La clave para entender el comportamiento químico del agua es su estructura molecular. Una molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno y su estructura general es angular. Esto se debe a que el átomo de oxígeno, además de formar enlaces con los átomos de hidrógeno, tiene dos pares de electrones no compartidos. Todos los pares de electrones (compartidos o no) se repelen entre ellos.

El arreglo más estable es el que los coloca lo más lejos posible uno del otro: un tetraedro, con los enlaces $\text{O}-$start text, O, end text, minus, start text, H, end text formando dos de las cuatro "patas". Los pares solitarios son ligeramente más repulsivos que los electrones de enlace, por lo que el ángulo entre los enlaces $\text{O}-\te$start text, O, end text, minus, start text, H, end text es un poco menor a los 109° de un tetraedro perfecto, alrededor de 104,5°.

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Debido a que el oxígeno es más electronegativo (ávido de electrones) que el hidrógeno, el átomo de $\text{O}$start text, O, end text acapara los electrones y los mantiene alejados de los átomos de $\text{H}$start text, H, end text. Esto le da al lado de la molécula de agua que corresponde al oxígeno una carga parcial negativa, mientras que los extremos del hidrógeno tienen una carga parcial positiva. El agua se clasifica como una molécula polar debido a sus enlaces covalentes polares y su forma angular${}^{\mathrm{}}$

start superscript, 2, comma, 3, end supersc

Puentes de hidrógeno de las moléculas de agua

Gracias a su polaridad, las moléculas de agua se atraen entre sí con gran facilidad. El lado positivo de una (un átomo de hidrógeno) se asocia con el lado negativo de otra (un átomo de oxígeno).

Estas atracciones son un ejemplo de puentes de hidrógeno, interacciones débiles que se forman entre un hidrógeno con una carga parcial positiva y un átomo más electronegativo, como el oxígeno. Los átomos de hidrógeno involucrados en enlaces de este tipo deben estar unidos a átomos electronegativos, tales como $$start text, O, end text, $$start text, N, end text, o $$start text, F, end text.

Las moléculas de agua también son atraídas por otras moléculas polares y por iones. Una substancia cargada o polar que interactúa con el agua y se disuelve en ella es conocida como hidrofílica: hidro significa "agua," y fílica significa "amigo de". En contraste, las moléculas no polares como los aceites y grasas, no interactúan bien con el agua. Estas más bien se apartan de ella en lugar de disolverse, por lo que se les llama hidrofóbicas: fóbica significa "temor a". Es posible que hayas notado esto como un inconveniente de los aderezos para ensaladas hechos con vinagre y aceite. El vinagre, es solo agua con un poco de ácido.