La química del agua y la contaminación hídrica

HIDROSFERA

La química del agua y la contaminación hídrica

Anatomía de una molécula muy especial

[pic 1]

Si bien esta molécula es eléctricamente neutra, los dos pares de electrones solitarios generan una distribución de carga negativa en la molécula de H2O, que se suma a la producida por la diferencia de electronegatividades del O y el H que genera un exceso de carga positiva sobre los átomos de hidrógeno.

La figura 1.2 muestra las uniones puente hidrógeno que se dan en el estado vapor y que llevan a la formación de pequeños agregados moleculares (H2O)n, donde n es un número entero entre 2 y 8.

Es posible imaginar al vapor de agua como un sistema compuesto por moléculas individuales de H2O, junto con estos agregados de 2, 3.....6 moléculas en constante transformación; es decir que una molécula puede escapar por ejemplo de un agregado (H2O)4, para dejar un agregado (H2O)3 y una molécula individual.

Es interesante observar que el número de uniones hidrógeno por molécula en estos agregados es cercano a dos. Es decir, cada molécula está unida a otras dos moléculas de agua.

Cuando las condiciones de presión y temperatura son adecuadas, el agua puede formar hielo y allí la formación de uniones puente hidrógeno entre las moléculas de agua se manifiesta plenamente. Cada molécula de H2O en el hielo está unida a otras 4 moléculas por uniones puente hidrógeno.

El hielo tiene varias formas cristalinas, pero la forma estable a temperaturas por debajo de 273 K y presión atmosférica es el llamado hielo hexagonal (Ih) cuya estructura se muestra en la figura 1.3 junto con la estructura cúbica del hielo Ic, que es la forma cristalina por debajo de 153 K. La figura sólo muestra los átomos de O y en la línea que los une hay un átomo de H unido a un O covalentemente y al otro por unión puente hidrógeno.

Es interesante notar la gran cantidad de espacio vacío en la estructura Ih del hielo. Las cavidades en la estructura son de volumen mucho mayor que una molécula de H2O.

En el agua líquida, esta estructura de uniones puente hidrógeno se mantiene en buena medida intacta: pero algunas uniones hidrógeno pueden romperse en el líquido, y entonces una fracción de las moléculas de H2O se “desconectan” de sus vecinas, y pueden ubicarse dentro de las cavidades. Una visión muy realista de la estructura del agua líquida es la de una red del tipo hielo Ih, con los ángulos de unión algo distorsionados, con algunas moléculas unidas por puente hidrógeno a tres o dos moléculas vecinas en lugar de cuatro y algunas moléculas no unidas por puente hidrógeno ubicadas en las cavidades de esta estructura tipo hielo distorsionada

Seguramente ya ha advertido que una primera explicación a la expresión: “el agua es una sustancia poco común y a la vez la más común de las sustancias” está vinculada con la gran cantidad de espacio vacío existente en la estructura del hielo.

La consecuencia inmediata de las diferencias entre la estructura del agua líquida y el hielo es que la densidad del hielo es casi un 10% inferior a la del líquido. Esta es una particularidad del agua y hace que los cubitos floten en el agua, al igual que los iceberg en el mar. Esto hace también que en las regiones frías del planeta los lagos se congelen en su superficie y no en su fondo. La capa de hielo aísla térmicamente el agua debajo de esta capa y evita que se congele todo el resto, permitiendo la regulación de la vida de los organismos que los habitan y la continuidad de las cadenas tróficas correspondientes.

Otras propiedades anómalas del agua, comparadas con las de otras moléculas simples son las siguientes:

• Alta temperatura de ebullición y entalpía de vaporización, comparada con la de los hidruros de los elementos del grupo 6.

• Alta capacidad calorífica (4,17 J/gK) comparada con otros líquidos tales como el etanol

El agua como solvente

El agua es un solvente extraordinariamente versátil. Puede disolver gases (tales como el oxígeno) sales, compuestos no iónicos como alcoholes, sacáridos, proteínas y hasta macromoléculas, y mantener así la vida acuática. El gran poder disolvente del agua para disolver solutos iónicos se debe a su alta polaridad, que también se refleja en la constante dieléctrica del líquido, que toma un valor ε = 81 a temperatura y presión ambiente.

Así, el agua puede disolver un cristal iónico mediante la hidratación de sus iones componentes, y mantiene en solución iones de carga opuesta debido al efecto de apantallamiento de cargas. Como vimos en el capítulo 3, un parámetro importante para determinar si una sal es soluble o no en agua es la entalpía de disolución.

Muchos gases se pueden disolver en agua en cantidades apreciables. Así, el agua disuelve oxígeno en cantidades cercanas a las 8 ppm (mgO2 /kg H2O), suficiente para que los ríos, lagos y océanos sean ambientes adecuados para una enorme variedad de organismos. Otros gases, como el CO2, NH3, HCl, se disuelven en cantidades mayores pues reaccionan con el agua para formar ácidos y bases que se disocian y modifican el pH de la solución.

Los océanos disuelven 3,5.1011 toneladas de CO2 por año, ayudando a mitigar el efecto invernadero y suministrando el carbón necesario para la fotoproducción de fitoplancton.

Todos los gases se disuelven mejor a altas presiones. Las bebidas gaseosas, por ejemplo, se producen disolviendo CO2 en soluciones acuosas a presiones del orden de 14 atmósferas.

La soda es un ejemplo muy simple del equilibrio de disolución de un gas. El CO2 en fase gaseosa está en equilibrio con el CO2 disuelto

EL CICLO HIDROLOGICO

[pic 2]

Se denomina océano al volumen de agua marina de la Tierra. Posee la mayor parte líquida del planeta. Los océanos se clasifican en tres grandes océanos: Atlántico, Índico y Pacífico; y dos menores Ártico y Antártico, delimitados parcialmente por la forma de los continentes y archipiélagos.

Los océanos Pacífico y Atlántico a menudo se distinguen en Norte y Sur, según estén en el hemisferio Norte o en el Sur: Atlántico Norte y Atlántico Sur, y Pacífico Norte y Pacífico Sur.

Los océanos cubren el 71 % de la superficie de la Tierra, siendo el Pacífico el mayor de los océanos.

...