SOLUCIONES ACUOSAS

Mezclas

Las mezclas son una combinación de dos o más sustancias en la cual las sustancias conservan sus propiedades características. Ejemplo: el aire, las bebidas gaseosas, la leche y el cemento.

1.Tipos de mezclas

Se distinguen dos tipos de mezclas:

A. Las mezclas homogéneas:

Más conocidas como soluciones o disoluciones, son aquellas que se caracterizan por presentar la misma composición y propiedades en todas sus partes. En otras palabras, cualquier porción de una solución, independientemente de su volumen o masa tiene la misma composición y características de dicha solución y, por lo mismo no es posible distinguir las sustancias que las componen.

Otra manera de definir una solución es diciendo que constituye una combinación homogénea entre un componente que se disuelve, llamado soluto, con otro componente que lo disuelve y que se llama solvente o disolvente.

Entonces, una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias.

Se distinguen seis tipos de disoluciones dependiendo de su estado físico original.

B. Las mezclas heterogéneas:

Están formadas por dos o mas sustancias puras que se combinan, conservando cada una sus propiedades particulares, de tal manera que podemos distinguir las sustancias que la componen. Ejemplo: agua con arena.

Dentro de las mezclas heterogéneas, se encuentran las emulsiones y las suspensiones.

Una Emulsión es una mezcla de líquidos cuyas partículas se encuentran dispersas uniformemente, lo que se puede lograr por acción mecánica, como ocurre cuando se agita con la cuchara una mezcla de aceite con vinagre. (Estos son líquidos no miscibles, porque sus moléculas no se mezclan una con otras). La sopa es otro ejemplo.

Las Suspensiones son mezclas en las cuales las partículas pequeñas de un sólido (en polvo) o de un líquido están dispersas en otro líquido o gas. Ejemplo: agua + tierra la que inicialmente es uniforme pero turbia, y en la que luego el sólido se deposita lentamente en el fondo del recipiente que lo contiene.

2 .Separación de mezclas

A.- Separación de dos sólidos , puede ser a través de tres procedimientos:

- Decantación. Consiste en colocar la mezcla de un líquido, donde los dos sólidos se separan: uno se hunde y el otro flota.

- Magnetismo. Se da cuando la mezcla esta formada por un elemento metálico y otro no metálico, los cuales se pueden separar mediante un imán.

- Tamizado. Se separan dos o más sólidos de diferentes tamaños por medio de un cedazo

. Ejemplo el suelo.

B.-Separación de dos líquidos:

- Destilación. este proceso se basa en que cada líquido tiene una temperatura particular de ebullición. Ejemplo el agua + alcohol , primero se evaporara el alcohol que hierve a los 78ºC , mientras que el agua lo hace a los 100ºC.

C.-Separación de un líquido y un sólido

Puede ser por: Evaporación, Destilación o filtración.

- Evaporación. Si tenemos agua más sal al aplicarle calor se evaporará el agua y la sal quedará en estado sólido.

- Destilación. Por el procedimiento de evaporación el componente líquido cambia al estado gaseoso, separándose del sólido.

- Filtración. Se deja pasar la solución a través de un papel filtro. Este retiene los sólidos y deja pasar el líquido.

EL AGUA Y LAS SOLUCIONES

EL AGUA

1. Introducción

Casi tres cuartos de la superficie de la tierra se cubren con agua. Quizás el líquido más importante del mundo, el agua es generalmente fácil de conseguir de la lluvia, de los ríos, y de los lagos. Como vapor, el agua está también presente en el aire, donde se condensa a menudo en las nubes. Los seres vivos contienen una proporción grande de agua. Por ejemplo, el agua abarca cerca de 60 por ciento del peso del cuerpo humano.

El agua es necesaria para la vida; el crecimiento de las cosechas que el hombre necesita para su alimento depende del agua. Una planta de maíz completamente crecida utiliza más que un galón de agua al día.

El agua líquida es la única sustancia común que cuando se congela se expande, al contrario de lo que ocurre con las demás sustancias, y en consecuencia el agua sólida (hielo) tiene una densidad menor que el agua líquida, debido a que forma enlaces por puente de hidrógeno y se forma una estructura hexagonal. Esta propiedad del agua hace que el hielo flote en el agua líquida y en consecuencia las grandes cantidades de agua se congelan de arriba hacia abajo, lo que hace posible la vida acuática en los lugares de clima frío (calor de fusión del hielo 79.7 cal/g). Otras consecuencias de la expansión del agua al congelarse son las cuarteaduras en rocas, suelo, calles, ruptura de tuberías y grietas en los motores de autos en lugares de climas fríos (para evitarlo se utilizan anticongelantes en el sistema de refrigeración de los autos).

El agua líquida tiene un calor de vaporización muy grande (539.6 cal/g), lo que significa que absorbe 539.6 calorías por cada gramo de agua que se evapore y la libera al condensarse. Esta es la razón por la que el proceso de evaporación en plantas y animales es un proceso de enfriamiento eficiente, se percibe la sensación de frescura cuando se evapora el sudor de la piel. Los procesos de evaporación y condensación del agua contribuyen a la distribución del calor en la tierra.

2. El ciclo del agua

Tres cuartas partes de la superficie de la Tierra están cubiertas por las aguas de los océanos, lagos, ríos, arroyos y manantiales. Al perforar el subsuelo, por lo general, se puede encontrar agua. Ésta se halla a profundidades diversas (agua subterránea o mantos freáticos).

El proceso conocido como “ciclo del agua” es aquel por el cual el agua de los océanos se evapora y precipita en la tierra, donde se distribuye en ríos y lagos, principalmente, asegurando la recarga de mantos freáticos. Esta agua es la que utilizan plantas, animales y el hombre.

Se produce vapor de agua por evaporación en la superficie terrestre y en las masas de agua, y por transpiración de los seres vivos. Este vapor circula por la atmósfera y precipita en forma de lluvia o nieve. Al llegar a la superficie terrestre, el agua sigue dos trayectorias:

En cantidades determinadas por la intensidad de la lluvia, así como por la porosidad, permeabilidad, grosor y humedad previa del suelo, una parte del agua se vierte directamente en los riachuelos y arroyos, de donde pasa a los océanos y a las masas de agua continentales; el resto se infiltra en el suelo.

Una parte del agua infiltrada constituye la humedad del suelo, y puede evaporarse directamente o penetrar en las raíces de las plantas para ser transpirada por las hojas. La porción de agua que supera las fuerzas de cohesión y adhesión del suelo, se filtra hacia abajo y se acumula en la llamada zona de saturación para formar un depósito de agua subterránea, cuya superficie se conoce como nivel freático.

En condiciones normales, el nivel freático crece de forma intermitente según se va rellenando o recargando, y luego declina como consecuencia del drenaje continuo en desagües naturales como son los manantiales.

3. Estructura del Agua

La molécula de agua está formada por dos átomos de Hidrógeno unidos a un átomo de Oxígeno por medio de dos enlaces covalentes.

3.1 La Geometría del Agua

La molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno unidos por enlaces covalentes al átomo de oxígeno. Cada enlace covalente implica la compartición de dos electrones entre los átomos de hidrógeno, en que cada átomo aporta un electrón. Por lo tanto, los electrones puestos en juego en ambos enlaces covalentes son cuatro. Estos electrones enlazantes, se suelen representar por pares de puntos o trazos, de manera que la molécula de agua puede representarse por los símbolos de los elementos de hidrógeno y oxígeno unidos por trazos:

H-O-H. Esta fórmula sugiere una estructura lineal.

Además existen en el átomo de oxígeno dos pares de electrones, que no participan en enlace, situados en un nivel de menor energía, o última capa. Al considerar todos los 8 electrones situados en la última capa del oxígeno, 2 pares enlazantes y 2 pares no enlazantes, la teoría de Repulsión de Pares Electrónicos del Nivel de Valencia, predice la forma de la molécula de agua. Esta teoría establece que los pares electrónicos del nivel de valencia, que corresponden a la última capa energética, se sitúan en el espacio de manera que entre ellos exista la mínima repulsión ocasionada por su carga negativa. Si los cuatro pares fuesen de igual naturaleza se podría predecir una estructura tetraédrica regular para el agua, porque la mejor manera de acomodar cuatro cargas negativas en el espacio, para que exista entre ellas la mínima interacción, es situándolas en los vértices de un tetraedro, cuyos lados mostrarían un ángulo de 109,5°. Puesto que sólo dos pares de electrones son enlazantes, éstos están compartidos entre los núcleos de Oxígeno e Hidrógeno y por lo tanto estos electrones están mas cerca a ambos núcleos. Los dos pares no enlazantes están sólo localizados sobre el átomo de O por lo que tienden a ocupar mayor espacio alrededor de este átomo y en consecuencia a restarle espacio a los pares enlazantes. Por lo tanto, el ángulo que muestran las dos uniones oxígeno-hidrógeno es 104,5°, menor que el ángulo tetraédrico.

De lo anterior se puede deducir que si la molécula de agua no es lineal, tampoco será una especie apolar. Una molécula polar presenta dos polos o centros de gravitación de carga negativa y positiva que resultan de la diferente concentración de electrones en el espacio. Aquel sitio donde exista una mayor concentración da origen a un centro donde gravita carga negativa y en el otro extremo de ese espacio gravitará, por consecuencia, carga positiva.

Al existir un dipolo en tal molécula, ésta puede atraer a sus vecinas por fuerzas de atracción entre cargas de diferente signo.

Estas fuerzas se denominan atracción dipolo-dipolo, las cuales son importantes en sustancias al estado líquido o sólido donde la cercanía molecular es muy grande.

3.2 Polaridad del agua

La polaridad de la molécula de agua no sólo es consecuencia de su geometría tetraédrica irregular, sino que también de la naturaleza de sus átomos: hidrógeno (en griego, ‘creador de agua’) y oxígeno (es el elemento más abundante en la Tierra).

El hidrógeno es el átomo más pequeño de todos los elementos químicos mientras que el oxígeno es pequeño pero presenta gran electronegatividad, la cual brinda a los átomos la capacidad de atraer electrones de enlace hacia sí. Por lo tanto, el átomo de oxígeno de la molécula de agua atrae hacia sí los electrones de los enlaces covalentes con los hidrógenos; hecho que da lugar a una polaridad de enlace. La polaridad de enlace se representa por la letra , con su correspondiente signo, entonces la molécula de agua podrá representarse como el dibujo.

Además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.

El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.

Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo

Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, 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.

3.3 Puentes de hidrógeno

Dado que el átomo de oxígeno es pequeño y bastante electronegativo, la concentración de electrones en su entorno es elevada, por lo que las cargas negativas sobre oxígeno y positiva entre los átomos de hidrógeno son considerables. Se deduce que las atracciones dipolo-dipolo entre moléculas de agua son importantes, en realidad muy fuertes, porque las moléculas polares de agua, siendo pequeñas, pueden acercarse mucho más que moléculas mayores y pueden atraerse fuertemente por su gran polaridad. Esta atracción dipolo-dipolo que es inusualmente fuerte y en la que participa el átomo de hidrógeno se denomina puente de hidrógeno.

Esta asociación intermolecular que se da en el agua líquida y en el hielo, se suele representar por una línea de puntos. En el hielo, la longitud del enlace de hidrógeno es de 1,77 Å que se compara con la longitud del enlace covalente H-O de 0,99 Å.

Esta estructura muestra que cada átomo de oxígeno de las moléculas de agua que forman hielo está unido por dos enlaces covalentes a átomos de hidrógeno y por puente de hidrógeno a moléculas vecinas. La energía de los puentes de hidrógeno es aproximadamente un 1% del enlace covalente. Esta gran diferencia de energía hace la distinción entre el enlace covalente, que es un enlace químico y por lo tanto muy fuerte, y el mal llamado enlace de hidrógeno, que sólo es una asociación física, porque es una atracción dipolo-dipolo.

En la molécula de agua los pares electrónicos enlazantes y no enlazantes están orientados hacia los vértices de un tetraedro irregular, por lo que al considerar una masa de hielo, sus moléculas forman una inmensa red tridimensional altamente ordenada que evita que las moléculas se acerquen mucho entre sí. El puente de hidrógeno que se establece, hace que las moléculas de agua adopten una estructura que deja huecos hexagonales que forman una especie de canales a través de la red tridimensional.

4. Propiedades físicas y químicas del agua

El agua es un compuesto con propiedades físicas y químicas muy diferentes a otros compuestos formados por moléculas de masa molecular semejante. El agua es un solvente de gran cantidad de sales inorgánicas, de compuestos orgánicos y de gases. Debido a su polaridad y a la formación de enlaces por puente de hidrógeno, el agua facilita la realización de muchas de las funciones biológicas. Disuelve a compuestos iónicos y moléculas neutras, las soluciones acuosas diluidas influyen en la disociación de macromoléculas como las proteínas y los polinucleótidos, es decir, que el agua sirve como medio dispersante y ejerce una influencia importante sobre los componentes estructurales y funcionales de las células.

El agua tiene la capacidad de disolver una gran cantidad y variedad de sustancias lo que le proporciona la posibilidad de ser un buen medio de transporte de muchas sustancias, en los seres vivos transporta nutrientes y productos de desecho. Esta propiedad también implica que sirve como medio de transporte de contaminantes de los océanos, ríos, lagos, suelo y aire.

El agua líquida tiene una gran tensión superficial debido a las fuerzas de atracción entre sus moléculas (hace que la superficie de un líquido se contraiga) y una gran capacidad humectante (capacidad para adherirse y recubrir a un sólido). La gran tensión superficial del agua hace posible el fenómeno de la capilaridad, que junto con su capacidad disolvente hacen posible que las plantas puedan tomar los nutrientes del suelo necesarios para su crecimiento.

4.1 Propiedades físicas del agua

· Es un líquido incoloro, inodoro e insaboro.

· Se transforma fácilmente en los tres estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso).

· A 100º C se produce su ebullición en condiciones normales de presión (es decir, al nivel del mar a 760 mm de Hg).

· Se solidifica a 0º C en forma de hielo.

· Es un compuesto con elevada capacidad calorífica, esto es, requiere mucho calor para elevar su temperatura.

· A 4º C adquiere su mayor densidad, que se considera con valor de 1 (es la base para la densidad). Si su temperatura baja a partir de 4º C su densidad se eleva, pues la solubilidad decrece inversamente con la densidad; ésta es la razón por la que el hielo flota, pues ocupa más volumen.

· Es el disolvente universal por excelencia; todos los gases, así como numerosos sólidos y líquidos se disuelven en ella.

· En estado químicamente puro, es mala conductora del calor y la electricidad.

· Su densidad y fluidez permiten que su energía potencial, al ser almacenada en presas, se aproveche en las caídas de agua para producir energía eléctrica.

5.2 Propiedades químicas del agua

1) Reacciona con los óxidos ácidos

2) Reacciona con los óxidos básicos

3) Reacciona con los metales

4) Reacciona con los no metales

5) Se une en las sales formando hidratos

Muchas de estas reacciones que exponemos a continuación ya son existentes en la naturaleza:

1) Los anhidridos u óxidos ácidos reaccionan con el agua y forman ácidos oxácidos.

2) Los óxidos de los metales u óxidos básicos reaccionan con el agua para formar hidróxidos. Muchos óxidos no se disuelven en el agua, pero los óxidos de los metales activos se combinan con gran facilidad.

3) Algunos metales descomponen el agua en frío y otros lo hacen a temperatura elevada.

4) El agua reacciona con los no metales, sobre todo con los halógenos, como el flúor, el cual reacciona violentamente, generando ácido fluorhídrico y oxígeno y algo de difluoruro de oxígeno como se muestra en las siguientes reacciones.

2F2 + 2H2O 4 HF + O2

2F2 + H2O F2O + 2 HF

5) El agua forma combinaciones complejas con algunas sales, denominándose hidratos, el sulfato de cobre penta hidratado CUSO4. 5 H2O es un hidrato porque posee 5 moléculas de agua dentro de su estructura sólida; en algunos casos los hidratos pierden agua de cristalización cambiando de aspecto, y se dice que son eflorescentes, como le sucede con sulfato de cobré penta hidratado, que cuando está hidratado es de color azul, pero por pérdida de agua se transforma en sulfato cúprico anhidro de color blanco.

· El agua es un compuesto muy estable; sin embargo, se ha observado que el hidrógeno y oxígeno se descomponen por encima de 1 600º C.

· Su molécula está formada por hidrógeno y oxígeno en proporción de 1:8 en masa y de 2:1 en volumen.

· Su fórmula química es H2O; es decir, el oxígeno está unido a cada hidrógeno por medio de un enlace covalente sencillo (existe un par de electrones que los unen).

· Su masa molecular es 18.016.

· El agua se descompone con un voltámetro por medio de la corriente eléctrica, empleando un electrólito (disolución que conduce la electricidad y contiene iones positivos y negativos). En el cátodo (electrodo negativo) se desprende hidrógeno y en el ánodo (electrodo positivo) el oxígeno.

· En la síntesis volumétrica del agua (preparación de compuestos químicos a partir de sustancias más sencillas) se observa que el hidrógeno y el oxígeno se combinan siempre en proporción de 2:1.

· Reacciona con algunos metales como el sodio, el potasio (produciendo una reacción violenta) y el calcio dando el hidróxido del metal correspondiente e hidrógeno que se desprende en forma de gas.

· Se combina con los anhídridos formando ácidos (oxiácidos).

· Reacciona con los metales produciendo óxidos (corrosión)

5.3 Propiedades físico-químicas del agua

El agua presenta las siguientes propiedades físico-químicas:

a) Acción disolvente: El agua es el líquido que más sustancias disuelve (disolvente universal), esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, ya que estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua.

La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes para los seres vivos: es el medio en que transcurren las mayorías
de las reacciones del metabolismo, y el aporte de nutrientes y la eliminación de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos.

b) Fuerza de cohesión entre sus moléculas: Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible.

c) Elevada fuerza de adhesión: De nuevo los puentes de hidrógeno del agua son los responsables, al establecerse entre estos y otras moléculas polares, y es responsable, junto con la cohesión de la capilaridad, al cual se debe, en parte, la ascensión de la sabia bruta desde las raíces hasta las hojas.

d) Gran calor específico: El agua absorbe grandes cantidades de calor que utiliza en romper los puentes de hidrógeno. Su temperatura desciente más lentamente que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite al citoplasma acuoso servir de protección para las moléculas orgánicas en los cambios bruscos de temperatura.

e) Elevado calor de vaporización: A 20ºC se precisan 540 calorías para evaporar un gramo de agua, lo que da idea de la energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno establecidos entre las moléculas del agua líquida y, posteriormente, para dotar a estas moléculas de la energía cinética suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al estado de vapor.

f) Elevada constante dieléctrica: Por tener moléculas dipolares, el agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares como los glúcidos. Las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando a desdoblar los compuestos iónicos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este fenómeno se llama solvatación iónica.

g) Bajo grado de ionización. De cada 107 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada.

H2O H3O+ + OH-

Esto explica que la concentración de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-) sea muy baja. Dado los bajos

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1 Comentario »

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