3.3.3 Composición del agua: electrolisis y síntesis

El agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O) unidos mediante sendos enlaces covalentes, de manera que la molécula tiene una forma triangular plana. Es decir los átomos de hidrógeno y oxígeno están separados entre sí aproximadamente 0,96 Angstroms (más o menos un nanómetro – una milmillonésima de metro) y el ángulo que forman sus líneas de enlace es de unos 104,45 grados.

Además el agua se comporta como un dipolo, es decir tiene dos regiones con una cierta carga eléctrica. Una de ellas es positiva y la otra negativa.

El hecho de que el agua sea un dipolo se debe a que el hidrógeno y el oxígeno son átomos muy distintos desde el punto de vista de la electronegatividad. Es esta una propiedad atómica que indica la forma en que un átomo atrae hacia si los electrones que comparte con otro en un enlace covalente.

En el caso del agua, el oxígeno es un átomo muy electronegativo. El hidrógeno es un átomo muy poco electronegativo. Los electrones que comparten en los dos enlaces covalentes que presenta la molécula de agua están “desplazados” hacia la región ocupada por el oxígeno. Esto implica que esa zona tenga un poco más (un diferencial) de carga negativa, mientras que los hidrógenos tienen diferenciales de carga positiva. Decimos que tiene diferenciales de carga para resaltar que el agua NO es una molécula cargada eléctricamente, el agua NO ES UN IÓN. El agua, muchas otras, es una molécula polar. Esta polaridad es fundamental para entender las propiedades del agua, porqué el agua se comporta químicamente como lo hace y por extensión su importancia dentro de los seres vivos.




Electrolisis:

Aquí un vídeo de introducción:

Es un proceso que tiene lugar cuando se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos y se realiza una reacción redox. La diferencia de potencial aplicada a los electrodos depende del electrolito y del material que constituye los electrodos. Las pilas que producen corriente eléctrica se denominan pilas voltaicas mientras que las pilas que consumen corriente eléctrica se denominan pilas electrolíticas.

En algunas electrólisis, si el valor de la diferencia de potencial aplicada es tan sólo ligeramente mayor que el calculado teóricamente, la reacción es lenta o no se produce, por lo que resulta necesario aumentar el potencial aplicado. Este fenómeno se da cuando en alguno de los electrodos se produce algún desprendimiento de gas. El potencial añadido en exceso se denomina potencial de sobretensión.

La cantidad de producto que se forma durante una electrólisis depende de:

La cantidad de electricidad que circula a través de la pila electrolítica.

De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrolito.

La cantidad de electricidad que circula por una celda electrolítica puede determinarse hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada en amperios por el tiempo transcurrido, expresado en segundos. Es decir, Q(culombios) = I*t.

Tras efectuar múltiples determinaciones, Faraday enunció las dos leyes que rigen la electrólisis y que son: 

Primera Ley de Faraday: La masa depositada por electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que ha circulado. 

Segunda Ley de Faraday: Si varias celdas electrolíticas conectadas en serie y provistas de electrodos inertes son atravesadas por la misma cantidad de corriente eléctrica, las cantidades de sustancia depositadas en cada electrodo son proporcionales a los equivalentes-gramo de las sustancias depositadas. 

Síntesis del agua:

Sencillamente se puede definir como el procedimiento inverso de la electrolisis como se muestra en la siguiente imagen:

Experimentalmente se comprueba que dos volúmenes de dihidrógeno reaccionan con un volumen de dioxígeno para dar dos volúmenes de agua.

De acuerdo con la ley de Avogadro, la reacción de síntesis del agua necesitaría que cada dos moleculas de dihidrógeno reaccionaran con una molécula de dioxígeno para obtener dos moléculas de agua. La molécula de dioxígeno tiene que estar formada al menos por dos átomos, para que por lo menos uno de ellos entre a formar parte de cada molécula de agua. Si suponemos que en un volumen de gas hay seis moléculas, tenemos como reactivos 12 moléculas de dihidrógeno (formadas por 24 átomos de hidrógeno en total) y 6 moléculas de dioxígeno (formadas por 12 átomos de oxígeno en total). Si obtenemos dos volúmenes de agua (12 moléculas), cada molécula de agua debe tener de fórmula H2O y no HO como creía Dalton.

3.3.4 Estructura molecular del agua: Enlaces covalentes. Moléculas polares y no polares. Puentes de hidrogeno

Empezaremos con los enlaces covalentes:

Aquí un vídeo interlocutorio de la red ILCE dirigido a alumnos de secundaria

Los enlaces covalentes son las fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos no metálicos (los elementos situados a la derecha en la tabla periódica -C, O, F, Cl, ...).
Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo (electrones de valencia) y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos, para adquirir la estabilidad de la estructura electrónica de gas noble. Por tanto, los átomos no metálicos no pueden cederse electrones entre sí para formar iones de signo opuesto.
En este caso el enlace se forma al compartir un par de electrones entre los dos átomos, uno procedente de cada átomo. El par de electrones compartido es común a los dos átomos y los mantiene unidos, de manera que ambos adquieren la estructura electrónica de gas noble. Se forman así habitualmente moléculas: pequeños grupos de átomos unidos entre sí por enlaces covalentes.


Moléculas polares y no polares:

En esta ocasión  tenemos un vídeo introductorio en VHS muy bueno.

Decimos que una molécula es polar cuando uno de los extremos de los que está compuesta se encuentra cargado positivamente, y el otro cargado de forma negativa.

El agua es un disolvente polar ya que solamente puede recibir moléculas polares. Entonces, para disolverse en agua el componente de la sustancia debe ser polar para poder realizarse el enlace.

En cambio, apolar es todo aquello que no posee polos. En la física y la química se aplica a cierto tipo de moléculas que no tienen cargas positivas ni negativas. Entonces, las moléculas apolares se encuentran compuestas por átomos unidos por enlaces de tipo covalentes, es decir, enlaces donde la carga eléctrica no es la suficiente como para realizar una transferencia de electrones.

Puentes de hidrógeno:

Tal vez no sea el mejor vídeo de introducción que e presentado pero recomendaría tener el dedo en la barra espaciadora para pausar el vídeo y mirar con detalle algunas imágenes.

El puente de hidrógeno es un enlace que se establece entre moléculas capaces de generar cargas parciales. El agua, es la sustancia en donde los puentes de hidrógeno son más efectivos, en su molécula, los electrones que intervienen en sus enlaces, están más cerca del oxígeno que de los hidrógenos y por esto se generan dos cargas parciales negativas en el extremo donde está el oxígeno y dos cargas  parciales positivas en el extremo donde se encuentran los hidrógenos. La presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las moléculas de agua se comporten como imanes en los que las partes con carga parcial positiva atraen a las partes con cargas parciales negativas. De tal suerte que una sola molécula de agua puede unirse a otras  4 moléculas de agua a través de 4 puentes de hidrógeno. Esta característica es la que  hace al agua un líquido muy especial.


Los puentes de Hidrógeno, se forman por átomos de Hidrógeno localizados entre átomos electronegativos. Cuando un átomo de Hidrógeno está unido covalentemente, a una átomo electronegativo, ej.  Oxígeno o Nitrógeno, asume una densidad (d) de carga positiva, debido a la elevada electronegatividad del átomo vecino. Esta deficiencia parcial en electrones, hace a los átomos de Hidrógeno susceptibles de atracción por los electrones no compartidos en los átomos de Oxígeno o Nitrógeno.

Imagen y parte de la información http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/puente%20de%20hidrogeno.html

3.3.5 Regulación del clima

En este punto veremos no solo la regulación del clima sino que también nos adentraremos en el origen de la regulación del clima: el ciclo hidrológico.


Fases del ciclo hidrológico:

Evaporación:  El ciclo se inicia sobre todo en las grandes superficies líquidas (lagos, mares y océanos) donde la radiación solar favorece que  continuamente se forme vapor de agua. El vapor de agua, menos denso que el aire, asciende a capas más altas de la atmósfera, donde se enfría y se condensa formando nubes.

Precipitación: Cuando por condensación las partículas de agua que forman las nubes alcanzan un tamaño superior a 0,1 mm comienza a formarse gotas, gotas que caen por gravedad dando lugar a las precipitaciones (en forma de lluvia, granizo o nieve).

Retención: Pero no todo el agua que precipita llega a alcanzar la superficie del terreno. Una parte del agua de precipitación vuelve a evaporarse en su caída y otra parte es retenida (“agua de intercepción”) por la vegetación, edificios, carreteras, etc., y luego se evapora.
 Del agua que alcanza la superficie del terreno, una parte queda retenida en charcas, lagos y embalses (“almacenamiento superficial”) volviendo una gran parte de nuevo a la atmósfera en forma de vapor.

Escorrentía superficial: Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeños cursos de agua, que luego se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos (“escorrentía superficial”). Este agua que circula superficialmente irá a parar a lagos o al mar, donde una parte se evaporará y otra se infiltrará en el terreno.

Infiltración: Pero también una parte de la precipitación llega a penetrar la superficie del terreno  (“infiltración”) a través de los poros y fisuras del suelo o las rocas, rellenando de agua el medio poroso.

Evapotranspiración: En casi todas las formaciones geológicas existe una parte superficial cuyos poros no están saturados en agua, que se denomina “zona no saturada”, y una parte inferior saturada en agua, y denominada “zona saturada”. Una buena parte del agua infiltrada nunca llega a la zona saturada sino que es interceptada en la zona no saturada. En la zona no saturada una parte de este agua se evapora y vuelve a la atmósfera en forma de vapor, y otra parte, mucho más importante cuantitativamente, se consume en la “transpiración” de las plantas. Los fenómenos de evaporación y transpiración en la zona no saturada son difíciles de separar, y es por ello por lo que se utiliza el término “evapotranspiración” para englobar ambos términos.

Escorrentía subterránea: El agua que desciende, por gravedad-percolación y alcanza la zona saturada constituye la “recarga de agua subterránea.
El agua subterránea puede volver a la atmósfera por evapotranspiración cuando el nivel saturado queda próximo a la superficie del terreno. Otras veces, se produce la descarga de las aguas subterráneas, la cual pasará a engrosar el caudal de los ríos, rezumando directamente en el cauce o a través de manantiales, o descarga directamente en el mar, u otras grandes superficies de agua, cerrándose así el ciclo hidrológico.
El ciclo hidrológico es un proceso continuo pero irregular en el espacio y en el tiempo. Una gota de lluvia puede recorrer todo el ciclo o una parte de él. Cualquier acción del hombre en una parte del ciclo, alterará el ciclo entero para una determinada región. El hombre actúa introduciendo cambios importantes en el ciclo hidrológico de algunas regiones de manera progresiva al desecar zonas pantanosas, modificar el régimen de los ríos, construir embalses, etc.
El ciclo hidrológico no sólo transfiere vapor de agua desde la superficie de la Tierra a la atmósfera sino que colabora a mantener la superficie de la Tierra más fría y la atmósfera más caliente. Además juega un papel de vital importancia: permite dulcificar las temperaturas y precipitaciones de diferentes zonas del planeta, intercambiando calor y humedad entre puntos en ocasiones muy alejados.
Las tasas de renovación del agua, o tiempo de residencia medio, en cada una de las fases del ciclo hidrológico no son iguales. Por ejemplo, el agua de los océanos se renueva lentamente, una vez cada 3.000 años, en cambio el vapor atmosférico lo hace rápidamente, cada 10 días aproximadamente.



Aspectos que se involucran:


Aunque sobre los hielos antárticos se hayan llegado a medir temperaturas inferiores a –90° C, la temperatura media de la superficie terrestre se sitúa en unos agradables 15° C. Debemos agradecer este entorno templado al efecto invernadero natural que contribuye a retener en la atmósfera la radiación térmica emitida por la superficie de la Tierra. Sin dicho efecto natural, la temperatura media sería unos 33° C más baja.

En la regulación del clima global participan todos los sistemas de la naturaleza: la atmósfera y la hidrosfera (sobre todo los océanos), la criosfera (hielo, nieve), la litosfera (la corteza terrestre) y la biosfera. En las últimas décadas, también el ser humano (como causante del aumento en la emisión de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono y el metano) se ha convertido en un factor que afecta al clima.

En el sistema climático de la Tierra, el mar cumple una función primordial. La elevada capacidad calórica del agua marina y las particularidades de su balance térmico, como la mezcla de las capas superiores, amortiguan las diferencias de temperatura a lo largo del año. Tanto el sistema de circulación general de la atmósfera como el de los océanos contribuyen, en proporciones similares, al equilibrio térmico entre las latitudes altas y bajas.

Además, los océanos influyen sobre el clima no sólo térmicamente, sino también como parte de los grandes ciclos biogeoquímicos, especialmente el ciclo del carbono que, en forma de dióxido de carbono, es fundamental para la futura evolución del clima. Quien quiera saber hoy cómo será el clima mañana, no puede ignorar los océanos.

3.3.6 Disoluciones, concentración en por ciento y molar

En química una disolución o solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. A la sustancia disuelta se le llama soluto y a la sustancia donde se disuelve se le llama solvente. Una solución acuosa es aquella donde el solvente es el agua. Puesto que el agua es una excelente solvente así como naturalmente abundante, se ha convertido en lógicamente un solvente muy usado adentro química.


A continuación un vídeo algo extenso pero muy bien explicado de unicoos

El disolvente es una sustancia que permite la dispersión de otra en su seno. Es el medio dispersante de la disolución. Normalmente, el disolvente establece el estado físico de la disolución, por lo que se dice que el disolvente es el componente de una disolución que está en el mismo estado físico que la disolución. También es el componente de la mezcla que se encuentra en mayor proporción.

La capacidad de una sustancia de disolver en agua se determina cerca si la sustancia puede emparejar o exceder el fuerte fuerzas atractivas las moléculas de esa agua generan entre sí mismos. Si la sustancia carece la capacidad de disolver en agua las moléculas forman a precipitado.


Son varias las formas que tenemos de expresar la concentración de una disolución; estas son las más comunes:


           % En peso
El tanto por ciento en peso como su nombre indica es una relación entre pesos expresada en porcentajes como podemos ver en su fórmula.
En el tanto por ciento en peso relacionamos la masa de soluto que utilizamos con la masa de la disolución que obtenemos.
La definición de tanto por ciento en peso es la siguiente:
Relación entre la masa del soluto y la masa de la disolución multiplicado por cien. Nos indica en número de gramos presentes en una disolución.

            Molaridad
Igual que advertimos en el siguiente apartado de molalidad, debo recordaros la fácil confusión que tienen los términos de molalidad y molaridad, los cuales nunca debéis confundirlos.
En la molaridad ponemos en juego los moles de soluto que añadimos a la mezcla con el volumen de la disolución en la que vertemos el soluto.
La molaridad  también es utilizada en otra medida como es la fracción molar por lo que es doblemente utilizada en cuanto a la medida de la concentración.
La definición de molaridad es la siguiente:
Definición: relación entre el número de moles de soluto y el de litros de disolución. (M)

            Fracción molar
La fracción molar es una forma más de establecer una medida de la concentración.
Esta particular medida nos obliga de antemano a conocer los moles de cada elemento que mezclamos.
En la fracción molar relacionamos los moles del soluto con el que trabajamos con los moles de disolvente tenemos, con lo que se anulan los moles.
Si no recuerdas como se hallaba la molaridad puedes volver a la página de molaridad y en ella podrás recordar como se hacía.
La definición de fracción molar es la siguiente:
Relación entre el número de partículas de un componente y el número de moles de una disolución.
La fracción molar da como resultado una cantidad o un número adimensional. No tiene unidades.

            Molalidad
En primer lugar debemos advertiros que molalidad no es lo mismo que molaridad por lo que hay que tener cuidado con confundirlas puesto que el nombre es muy parecido pero en realidad cambian mucho los cálculos y estamos ante un grave error pero muy frecuente.
En la molalidad ponemos en relación la molaridad del soluto con el que estamos trabajando con la masa del disolvente que utilizamos.
La definición de molaridad es la siguiente:
 Relación entre el número de moles de soluto por kilogramos de disolvente (m)

            Normalidad
Esta es una de las medidas de concentración menos utilizada.
Se define como la relación entre el número de equivalentes-gramo (eq-g) de soluto y el de litros de disolución (n)

http://www.educared.org/global/anavegar4/comunes/premiados/D/627/concentracion/index_conct.html

3.3.7 Electrolitós y no electrolitós.

Las sustancias como los ácidos, las bases y las sales que en disolución tienen la propiedad de ser conductoras de la corriente eléctrica, reciben el nombre de electrolitos, las de mas sustancias se consideran como no electrolitos.

DISOCIACIÓN ELECTROLITICA (TEORIA DE ARRHENIUS)

En este vídeo se explica detalladamente esta teoria asi como el tema en general.

Aunque inicialmente tuvo poca aceptación, a sido de gran utilidad en la química moderna  al constituir la base teórica del  comportamiento de los electrolitos en el desarrollo de la electroquímica la teoría de la disolución electrolítica se funda en los siguientes puntos

*Los electrolitos, en disolución o fundidos, se disocian parcialmente, en iones cargados eléctricamente haciendo que la carga parcial de los positivos sea igual a la carga total de los negativos.

*La carga de los iones, de un átomo que forman los radicales de los electrolitos, es igual a su valencia. Es negativa (aniones) para los no metales y positiva (cationes) para los metales.

*Los iones actúan independientemente unos a otros así como de las moléculas no disociadas y constituyen partículas distintas con propiedades químicas y físicas características.

*La disociación de un electrolito es un proceso reversibles ya que en los iones originados se unen a su vez para formar de nuevo las moléculas del correspondiente compuesto

COEFICIENTE DE DISOLUCIÓN ELECTROLÍTICA:

El coeficiente de disolución electrolítica dé un  electrolito en disolución es la relación entre el numero de moléculas disociadas y el numero total de moléculas disueltas. El valor del mismo es siempre menor que 1 y varia de un electrolito a otro siendo mayor cuando la disolución aumenta. Así los ácidos y bases fuertes tienen iones muy asociados mientras que la solución del los ácidos y bases débiles contienen una mayoría de moléculas no disociadas.

3.3.8 Ácidos, bases y pH.

En esta entrada al ser un basto tema utilizare distintas fuentes tales como: Química general 1ra edicion, enciclopedia mi secundaria y por supuesto paginas de información veraz y en ocasiones especializada en el tema.
Comenzare con una pequeña introducción: los fundamentos de la química de los ácidos y las bases.
En el siglo XVII, el escritor irlandés y químico amateur Robert Boyle primero denominó las substancias como ácidos o bases (llamó a las bases álcalis) de acuerdo a las siguientes características:
Los Ácidos tienen un sabor ácido,corroen el metal, cambian el litmus tornasol (una tinta extraída de los líquenes) a rojo, y se vuelven menos ácidos cuando se mezclan con las bases.
Las Bases son resbaladizas, cambian el litmus a azul, y se vuelven menos básicas cuando se mezclan con 
ácidos.
                                   

*nota este video tambien habla de la naturalización un tema de la siguiente entrada.


La existencia de ácidos y bases se conoce desde antiguo, cuando su diferenciación se efectuaba por el nada recomendable procedimiento de comprobar su sabor: los ácidos suelen ser agrios mientras que las bases presentan apariencia jabonosa. La primitiva definición de Arrhenius señalaba que ácido es toda sustancia que en disolución acuosa se ioniza para dar iones H+ (protones) mientras que base es toda sustancia que en disolución acuosa se ioniza para dar lugar a iones OH". De esta forma se explica el comportamiento ácido del HCl y el básico del NaOH:

HCl  H+ + Cl¯

NaOH Na+ + OH¯

Sin embargo, esta definición es muy escueta, y sólo puede aplicarse a un número muy pequeño de sustancias. El carácter ácido o básico no está únicamente unido a la existencia de protones e hidroxilos. Las distintas definiciones que se van a estudiar en este capítulo proporcionarán una ideal global sobre el comportamiento ácido o básico, de manera que se puedan aplicar estos conceptos en cualquier tipo de situación química, bien sean en medios acuosos o no acuosos, en compuestos orgánicos o inorgánicos, etc.

Definición de Brönsted-Lowry.
En 1923, de manera independiente, Brönsted y Lowry propusieron que los ácidos son aquellas sustancias donadoras de protones y las bases las aceptoras de protones. En disolución acuosa esta definición es prácticamente idéntica a la de Arrhenius sobre protones e hidróxidos:

2 H2O   H3O+  +  OH¯

Uno de los casos donde esta definición encuentra una buena aplicación es en la racionalización de la actuación como ácidos y bases de disolventes próticos como el amoniaco o el sulfúrico:

NH4+   +    NH2¯       NH3

ácido +  base   producto de neutralización

H3SO4+   +    HSO4¯      H2SO4

ácido +  base   producto de neutralización

Otro ejemplo al que es posible aplicar esta definición es la siguiente reacción que, en principio, podría no parecer una neutralización, pero que como reacción acido-base, realmente lo es:

Dos especies químicas que difirieren únicamente en un determinado número de protones forman lo que se denomina par conjugado. Las reacciones como las de arriba transcurren siempre de manera que se forman las especies más débiles. Así, el ácido más fuerte y la base más fuerte de cada par conjugado reaccionan para dar ácidos y bases conjugadas más débiles. La limitación principal de esta definición se encuentra en la necesidad de la presencia de H+ en los reactivos.

En 1909, el bioquimico danes Sören Sörensen invento la escala pH para medir la acidez. la escala esta descrita en la siguiente formula:

pH = -log [H+] Nota: la concentración es comúmente abreviada usando logaritmo, por consiguiente H+] = concentración de ión de hidrógeno. Cuando se mide el pH, [H+] es una unidad de moles H+ por litro de solución

3.3.9 Neutralización y formación de sales.

Entre las distintas cosas o funciones que puede desarrollar el agua primero comenzare con la: Neutralización en la cual se forman productos un agua y una sal esta ultima es un compuesto ionico formada por un metal y un no metal, por ejemplo: cuando a una solucion de Na (HO), en la que se encuentra cationes Na+ y aniones OH-, se añade solucion de HCL, que contiene cationes H+ y aniones CL-, se produce una reaccion quimica: el anion OH-del hidroxido se une al cation H+ del acido formado agua y el cation Na+ de la base se combina con el anion CL- de l acido originando cloruro de sodio. esto queda expresado en la siguiente ecuacion quimica:

Na (OH) + HCL→  H2O + NaCL

entonces, desaparecen las cationes hidrogeno, responsable del sabor agrio dela acido,  y los aniones ixhidrilo que le confiere el sabor amargo a la base.

luego, si se colocan igual numero de moleculas de Na(OH) y de HCL, solo queda una solucion de cloruro de sodio en agua. el acido ha neutrado al hidroxidoo viceversa, formándose como ya mencione agua y sal.

Para terminar encontre un diagrama en el cual muestra dos ejemplos: un no metal (cloro), y un metal (sodio) en el cual se muestra el proceso que lleva a la formacion de sales usando porsupuesto agua.