Sección 3. Algunas Propiedades Fisicoquímicas del Agua.

 



 

 

 

 

 

 

 

 








Casi todas las propiedades fisicoquímicas del agua presentan particularidades derivadas de su capacidad de formación de enlaces o puentes de hidrógeno. Algunas de estas propiedades son tan específicas que hacen del agua un medio único para el desarrollo de los procesos vitales.




 

 

 

 

 

 

 









La densidad del agua es mayor que la de su fase sólida, el hielo, a 0ºC y presión atmosférica. Además presenta un comportamiento anómalo en el sentido de que aumenta con la temperatura, hasta presentar un máximo a 3.98ºC (densidad máxima: 1.000 g/mL), a partir de la cual la densidad disminuye con el aumento de temperatura.



 

 

 

 

 

 

 









Cuando el agua se solidifica y forma hielo, a 0ºC y presión atmosférica, la densidad disminuye, tomando un valor de 0.917 g/mL. Este comportamiento es muy raro y está asociado al incremento de volumen que se produce como consecuencia del aumento del número de puentes de hidrógeno, los cuales conllevan un aumento en la distancia entre las distintas moléculas de agua implicadas.




 

 

 

 

 

 

 








El punto de fusión del agua, es decir, la temperatura de transición líquido-hielo, es anormalmente alto. Este valor varía con la presión de modo anómalo. Siendo Tf = 0.00 ºC a la presión de 1 atmosfera, disminuye al aumentar la presión con un coeficiente (dTf/dp) = – 0.0074 ºC/atm. Este fenómeno está en relación con el incremento de volumen que se observa en la solidificación. El calor de fusión, absorbido o cedido por el sistema al pasar de sólido a líquido o viceversa, (DHf = 6.02 kJ/mol a 0 ºC y 1 atm) es también anormalmente grande, en comparación con el de otras sustancias molecularmente similares.


 

 

 

 

 

 








Cuando el hielo funde para dar agua, solo se destruye alrededor de un 12% de sus puentes de hidrógeno, por lo que el líquido conserva, a 0 ºC, la mayor parte de su estructura de sólido. La ruptura de enlaces de hidrógeno permite que algunas moléculas de agua puedan situarse a mayor proximidad unas de otras. Esta es la razón por la que la densidad del agua es ligeramente mayor que la del hielo y éste presente la notable propiedad de flotar sobre el líquido, siendo este hecho también singular entre la mayor parte de las sustancias.




 

 

 

 

 

 




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Según aumenta la temperatura densidad del agua se ve afectada por la intervención de dos factores contrapuestos. Por un lado, la ruptura de puentes de hidrógeno se ve facilitada por el incremento de la temperatura (entre 0º y 100ºC se destruye alrededor de un 8% adicional de puentes de hidrógeno), lo que conduce a un aumento en la densidad del líquido.



 

 

 

 

 

 

 










Sin embargo, el incremento de temperatura, que representa una mayor energía cinética molecular, es decir, una mayor velocidad en los movimientos moleculares, produce un efecto de expansión, aumentando el volumen y produciéndose el consiguiente descenso en la densidad.




 

 

 

 

 

 








De estos dos factores, el primero es predominante entre 0º y 4ºC, mientras que el segundo domina de 4º a 100ºC, resultando de ambos que la densidad del agua presenta un valor máximo a 3.98ºC.

 

 

 

 

 

 

 

 

 









El calor de vaporización del agua, DHv = 40.6 kJ/mol, es de los mayores valores que pueden observarse entre los líquidos habituales. A medida que tiene lugar el proceso de vaporización se destruyen el 80% de los puentes de hidrógeno restantes, de modo que la fase de vapor (gas) no conserva estructura de enlaces de hidrógeno.


 

 

 

 

 

 

 











El valor de la capacidad calorífica del agua, es decir, la energía necesaria para elevar la temperatura en una unidad manteniendo la presión, Cp = 75.3 J K-1 mol-1, es también singularmente elevado. La consecuencia del alto valor de la entalpía de vaporización y de la capacidad calorífica es un efecto estabilizador en la temperatura de las superficies de las grandes masas de agua y sobre la superficie continental adyacente, ya que se requiere una gran cantidad de calor para que en una masa de agua se produzca un cambio apreciable de temperatura.



 

 

 

 

 

 

 










Esta propiedad previene de los cambios bruscos de temperatura en las grandes masas de agua, protegiendo así a los organismos acuáticos. Además, las reacciones celulares en los organismos son fuertemente exotérmicas y el calor desprendido puede ser absorbido por el agua sin que por ello aumente apreciablemente su temperatura.

 

 

 

 

 

 

 

 











El alto valor del calor de vaporización presenta otra particularidad: permite transferir grandes cantidades de energía entre la atmósfera y la hidrosfera sin que en el proceso se acompañe de una transferencia excesiva de masa.



 

 

 

 

 

 





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Otra de las propiedades fisicoquímicas del agua con cierta particularidad es su tensión superficial. Como se sabe, las moléculas de la superficie de una fase líquida (o sólida), denominada interfase, tienen menos moléculas alrededor que aquéllas que se encuentran en el interior de la fase. Este hecho hace que la distancia de separación molécula-molécula sea ligeramente mayor en la interfase, por lo que poseen un exceso de energía, denominada por ello energía o tensión superficial. En realidad la tensión superficial, g, representa la energía necesaria para aumentar el área de la interfase en una unidad. Se expresa, por tanto, en unidades de energía por cada unidad de área: J/m2.

 

 

 

 

 

 

 

 











El agua posee una tensión superficial comparativamente mayor que otros líquidos molecularmente equivalentes, en parte debido a la existencia de los puentes de hidrógeno. Por ejemplo, 25ºC su valor es de 72 mJ/m2, que puede compararse con el valor mucho menor correspondiente al etanol a la misma temperatura, que es de 21 mJ/m2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 











La presencia de solutos en disolución acuosa modifica la tensión superficial. Las sustancias hidrófilas en disolución incrementan el valor de g, mientras que la disolución de sustancias hidrófobas lo rebajan. A los compuestos que presentan este comportamiento se les conoce como agentes superficialmente activos o tensioactivos.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 








El agua posee, además, una de las constantes dieléctricas mas altas de entre las sustancias en estado líquido (e= 78 a 25ºC). La constante dieléctrica, o permitividad eléctrica relativa de un medio, representa la cantidad de veces que la fuerza de acción recíproca entre dos cargas eléctricas en dicho medio es menor que en el vacío. Se comprende que el alto valor de e convierta al agua en un excelente disolvente de especies polares y iónicas. Este es el fenómeno conocido como solvatación o hidratación. Debido a su alto momento dipolar, las moléculas de agua orientan sus dipolos alrededor de las cargas iónicas y de las moléculas polares, rebajando la fuerza con la que interaccionan entre sí y dando lugar a especies hidratadas en disolución.



 

 

 


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El agua sufre un proceso de autoprotólisis cuya constante de equilibrio, Kw, depende de la temperatura.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 








El agua presenta asimismo propiedades redox. La oxidación de agua produce oxígeno. Asimismo, en condiciones reductoras extremas, el agua se descompone para producir hidrógeno. Estos dos procesos determinan la zona de estabilidad del agua en términos del potencial electroquímico y del pH.



 

 

 

 

 

 

 


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