El agua es la sustancia química con fórmula química H
2O; una molécula de agua tiene dos átomos de hidrógeno unidos covalentemente a un solo átomo de oxígeno.El agua es un líquido insípido e inodoro a temperatura y presión ambiente. El agua líquida tiene bandas de absorción débiles en longitudes de onda de alrededor de 750 nm que hacen que parezca tener un color azul. Esto se puede observar fácilmente en un baño lleno de agua o lavabo cuyo revestimiento es blanco. Los grandes cristales de hielo, como en los glaciares, también aparecen de color azul.,
bajo condiciones estándar, el agua es principalmente un líquido, a diferencia de otros hidruros análogos de la familia del oxígeno, que son generalmente gaseosos. Esta propiedad única del agua se debe a la Unión de hidrógeno. Las moléculas de agua se mueven constantemente entre sí, y los enlaces de hidrógeno se rompen y reforman continuamente a escalas de tiempo más rápidas que 200 femtosegundos (2×10-13 segundos).Sin embargo, estos enlaces son lo suficientemente fuertes como para crear muchas de las propiedades peculiares del agua, algunas de las cuales lo hacen parte integral de la vida.,
agua, hielo y vaporedit
dentro de la atmósfera y la superficie de la Tierra, la fase líquida es la más común y es la forma que generalmente se denota con la palabra «agua». La fase sólida del agua se conoce como hielo y comúnmente toma la estructura de cristales duros amalgamados, como cubos de hielo, o cristales granulares vagamente acumulados, como la nieve. Aparte del hielo cristalino hexagonal común, se conocen otras fases cristalinas y amorfas del hielo. La fase gaseosa del agua se conoce como vapor de agua (o vapor)., El vapor Visible y las nubes se forman a partir de pequeñas gotas de agua suspendidas en el aire.
el Agua también forma un fluido supercrítico. La temperatura crítica es de 647 K y la presión crítica es de 22.064 MPa. En la naturaleza esto solo ocurre raramente en condiciones extremadamente hostiles. Un ejemplo probable de agua supercrítica natural se encuentra en las partes más calientes de los respiraderos hidrotermales de aguas profundas, en las que el agua se calienta a la temperatura crítica por penachos volcánicos y la presión crítica es causada por el peso del océano en las profundidades extremas donde se encuentran los respiraderos., Esta presión se alcanza a una profundidad de unos 2200 metros: mucho menos que la profundidad media del Océano (3800 metros).
capacidad calorífica y calores de vaporización y fusionEdit
calor de vaporización del agua desde la fusión hasta la temperatura crítica
El agua tiene una capacidad calorífica específica muy alta de 4181.4 J / (kg·K) a 25 °C – el segundo todas las especies heteroatómicas (después del amoníaco), así como un alto calor de vaporización (40.,65 kJ / mol o 2257 kJ / kg en el punto de ebullición normal), ambos son el resultado de la extensa unión de hidrógeno entre sus moléculas. Estas dos propiedades inusuales permiten que el agua modere el clima de la Tierra al amortiguar grandes fluctuaciones de temperatura. La mayor parte de la energía adicional almacenada en el sistema climático desde 1970 se ha acumulado en los océanos.
la entalpía específica de fusión (más comúnmente conocida como calor latente) del agua es 333.,55 kJ / kg a 0 °C: se requiere la misma cantidad de energía para derretir el hielo que para calentar el hielo desde -160 °C hasta su punto de fusión o para calentar la misma cantidad de agua en aproximadamente 80 °C. de las sustancias comunes, solo la del amoníaco es mayor. Esta propiedad confiere resistencia al derretimiento en el hielo de los glaciares y el hielo a la deriva. Antes y desde el advenimiento de la refrigeración mecánica, el hielo era y sigue siendo de uso común para retardar el deterioro de los alimentos.
la capacidad calorífica específica del hielo a -10 °C es de 2030 J/(kg·K)y la capacidad calorífica del vapor a 100 °C es de 2080 J/(kg·K).,
densidad del agua y el iceeditar
densidad del hielo y el agua en función de la temperatura
la densidad del agua es de aproximadamente 1 gramo por centímetro cúbico (62 lb / pie cúbico): esta relación se utilizó originalmente para definir el gramo. La densidad varía con la temperatura, pero no linealmente: a medida que la temperatura aumenta, la densidad se eleva a un pico a 3.98 °C (39.16 °F) y luego disminuye; esto es inusual. El hielo hexagonal Regular también es menos denso que el agua líquida: al congelarse, la densidad del agua disminuye en aproximadamente un 9%.,
estos efectos se deben a la reducción del movimiento térmico con el enfriamiento, lo que permite que las moléculas de agua formen más enlaces de hidrógeno que impiden que las moléculas se acerquen entre sí. Mientras que por debajo de 4 ° C la rotura de los enlaces de hidrógeno debido al calentamiento permite que las moléculas de agua se acumulen más cerca a pesar del aumento en el movimiento térmico (que tiende a expandir un líquido), por encima de 4 °C el agua se expande a medida que aumenta la temperatura. El agua cerca del punto de ebullición es aproximadamente un 4% menos densa que el agua a 4 °C (39 °F).,
bajo presión creciente, el hielo experimenta una serie de transiciones a otros polimorfos con mayor densidad que el agua líquida, como hielo II, hielo III, hielo amorfo de alta densidad (HDA) y hielo amorfo de muy alta densidad (VHDA).,
distribución de Temperatura en un lago en verano y en invierno
La inusual curva de densidad y menor densidad del hielo de agua es vital para la vida—si el agua eran más densas en el punto de congelación, a continuación, en invierno el agua muy fría en la superficie de los lagos y otros cuerpos de agua se hunden, lagos podría congelar de abajo a arriba, y de toda la vida en ellos serían asesinados. Además, dado que el agua es un buen aislante térmico (debido a su capacidad calorífica), algunos lagos congelados podrían no descongelarse completamente en verano., La capa de hielo que flota en la parte superior aísla el agua de abajo. El agua a aproximadamente 4 ° C (39 °F) también se hunde en el fondo, manteniendo así la temperatura del agua en el fondo constante (ver diagrama).
Densidad de agua salada y iceEdit
WOA la densidad de la superficie
La densidad del agua salada depende de la sal disuelta contenidos así como de la temperatura. El hielo aún flota en los océanos, de lo contrario, se congelarían de abajo hacia arriba. Sin embargo, el contenido de sal de los océanos reduce el punto de congelación en aproximadamente 1.,9 ° C (ver aquí para explicación) y baja la temperatura de la densidad máxima del agua hasta el punto de congelación anterior a 0 °C. Esta es la razón por la cual, en el agua del océano, la convección hacia abajo del agua más fría no se bloquea por una expansión del agua, ya que se vuelve más fría cerca del punto de congelación. El agua fría de los océanos cerca del punto de congelación continúa hundiéndose. Así que las criaturas que viven en el fondo de los océanos fríos como el Océano Ártico generalmente viven en agua 4 ° C más fría que en el fondo de lagos y ríos de agua dulce congelados.
a medida que la superficie del agua salada comienza a congelarse (en -1.,9 °C para agua de mar de salinidad normal, 3.5%) el hielo que se forma es esencialmente libre de sal, con aproximadamente la misma densidad que el hielo de agua dulce. Este hielo flota en la superficie, y la sal que está «congelada» se suma a la salinidad y densidad del agua de mar justo debajo de ella, en un proceso conocido como rechazo de salmuera. Este agua salada más densa se hunde por convección y el agua de mar de reemplazo está sujeto al mismo proceso. Esto produce esencialmente hielo de agua dulce a -1.9 °C En la superficie. El aumento de la densidad del agua de mar debajo del hielo en formación hace que se hunda hacia el fondo., A gran escala, el proceso de rechazo de la salmuera y el hundimiento del agua salada fría resulta en la formación de corrientes oceánicas para transportar dicha agua lejos de los polos, lo que conduce a un sistema global de corrientes llamado circulación termohalina.
miscibilidad y condensacióneditar
la línea roja muestra la saturación
El agua es miscible con muchos líquidos, todas las proporciones., El agua y la mayoría de los aceites son inmiscibles generalmente formando capas de acuerdo con el aumento de la densidad desde la parte superior. Esto se puede predecir comparando la polaridad. Siendo el agua un compuesto relativamente polar tenderá a ser miscible con líquidos de alta polaridad como el etanol y la acetona, mientras que los compuestos con baja polaridad tenderán a ser inmiscibles y poco solubles como los hidrocarburos.
como gas, el vapor de agua es completamente miscible con el aire., Por otro lado, la presión máxima de vapor de agua que es termodinámicamente estable con el líquido (o sólido) a una temperatura dada es relativamente baja en comparación con la presión atmosférica total.Por ejemplo, si la presión parcial del vapor es del 2% de la presión atmosférica y el aire se enfría a 25 °C, a partir de aproximadamente 22 °C el agua comenzará a condensarse, definiendo el punto de rocío y creando niebla o rocío. El proceso inverso explica que la niebla se queme por la mañana., Si la humedad aumenta a temperatura ambiente, por ejemplo, al ejecutar una ducha caliente o un baño, y la temperatura se mantiene aproximadamente igual, el vapor pronto alcanza la presión para el cambio de fase y luego se condensa como gotas de agua diminutas, comúnmente conocidas como vapor.
un gas saturado o uno con 100% de humedad relativa es cuando la presión de vapor del agua en el aire está en equilibrio con la presión de vapor debido al agua (líquida); el agua (o hielo, si es lo suficientemente fría) no perderá masa a través de la evaporación cuando se expone al aire saturado., Debido a que la cantidad de vapor de agua en el aire es pequeña, la humedad relativa, la relación de la presión parcial debido al vapor de agua a la presión de vapor parcial saturada, es mucho más útil.La presión de Vapor por encima del 100% de humedad relativa se denomina supersaturada y puede ocurrir si el aire se enfría rápidamente, por ejemplo, al elevarse repentinamente en una corriente ascendente.,
Vapor pressureEdit
diagramas de presión de Vapor de agua
CompressibilityEdit
La compresibilidad del agua es una función de la presión y de la temperatura. A 0 ° C, En el límite de Presión cero, la compresibilidad es de 5,1×10-10 Pa−1. En el límite de Presión cero, la compresibilidad alcanza un mínimo de 4.4×10-10 Pa-1 alrededor de 45 °C antes de aumentar de nuevo con el aumento de la temperatura., A medida que aumenta la presión, la compresibilidad disminuye, siendo 3.9×10-10 Pa-1 A 0 °C y 100 megapascales (1.000 bar).
el módulo de volumen del agua es de aproximadamente 2.2 GPa. La baja compresibilidad de los no gases, y del agua en particular, hace que a menudo se asuma que son incompresibles. La baja compresibilidad del agua significa que incluso en los océanos profundos a 4 km de profundidad, donde las presiones son de 40 MPa, solo hay una disminución del volumen del 1,8%.,
Triple pointEdit
el punto triple sólido/líquido / vapor de agua líquida, hielo Ih y vapor de agua en la parte inferior izquierda de un diagrama de fase de agua.
La temperatura y presión a la que el agua ordinaria sólida, líquida y gaseosa coexisten en equilibrio es un punto triple de agua., Desde 1954, este punto se había utilizado para definir la unidad base de temperatura, el kelvin, pero, a partir de 2019, el kelvin ahora se define utilizando la constante de Boltzmann, en lugar del punto triple del agua.
debido a la existencia de muchos polimorfos (formas) de hielo, el agua tiene otros puntos triples, que tienen tres polimorfos de hielo o dos polimorfos de hielo y líquido en equilibrio. Gustav Heinrich Johann Apollon Tammann en Göttingen produjo datos sobre varios otros puntos triples a principios del siglo XX. Kamb y otros documentaron más puntos triples en la década de 1960.,
| fases en equilibrio estable | presión | temperatura |
|---|---|---|
| agua líquida, hielo Ih y vapor de agua | 611.657 Pa | 273.16 K (0.01 °c) |
| liquid water, ice ih, and ice III | 209.9 MPa | 251 K (-22 °C) |
| liquid water, ice III, and ice V | 350.1 mpa | -17.0 °C |
| liquid water, ice V, and ice vi | 632.4 MPa | 0.,16 °C |
| ice IH, Ice II, and ice III | 213 MPa | -35 °C |
| ice II, ice III, and ice V | 344 MPa | -24 °C |
| ice II, ice V, and ice VI | 626 mpa | -70 °C |
punto de fusióneditar
el punto de fusión del hielo es 0 °C (32 °F; 273 K) a presión estándar; sin embargo, el agua líquida pura se puede sobreenfriar muy por debajo de esa temperatura sin congelar si el líquido no se perturba mecánicamente., Puede permanecer en un estado fluido hasta su punto de nucleación homogéneo de aproximadamente 231 K (-42 °C; -44 °F). El punto de fusión del hielo hexagonal ordinario cae ligeramente bajo presiones moderadamente altas, en 0.0073 °C (0.0131 °F)/atm o aproximadamente 0.5 °C (0.90 °F)/70 atm a medida que la energía de estabilización del enlace de hidrógeno es excedida por la repulsión intermolecular, pero a medida que el hielo se transforma en sus polimorfos (Ver estados cristalinos de hielo) por encima de 209.9 MPa (2,072 atm), El punto de fusión aumenta notablemente con la presión, es decir, alcanzando 355 K (82 °C) a 2.216 GPA (21.870 ATM) (triple punto de Ice VII).,
propiedades Eléctricaseditar
conductividadeditar
El agua pura que no contiene iones exógenos es un excelente aislante, pero ni siquiera el agua «desionizada» está completamente libre de iones. El agua sufre auto ionización en estado líquido cuando dos moléculas de agua forman un anión hidróxido (OH –
) y un catión hidronio (h
3O+
).
debido a que el agua es un solvente tan bueno, casi siempre tiene algo de soluto disuelto en ella, a menudo una sal., Si el agua tiene incluso una pequeña cantidad de tal impureza, entonces los iones pueden llevar cargas de ida y vuelta, permitiendo que el agua conduzca la electricidad mucho más fácilmente.
se sabe que la resistividad eléctrica máxima teórica para el agua es de aproximadamente 18.2 mω * cm (182 kΩ·m) a 25 °C. Esta cifra concuerda bien con lo que se ve típicamente en sistemas de agua ultra pura de ósmosis inversa, ultrafiltrada y desionizada utilizados, por ejemplo, en plantas de fabricación de semiconductores., Un nivel de contaminante salado o ácido que supera incluso 100 partes por billón (ppt) en agua ultrapura comienza a reducir notablemente su resistividad hasta varios kΩ·m.
en agua pura, los equipos sensibles pueden detectar una conductividad eléctrica muy leve de 0.05501 ± 0.0001 µS/cm a 25.00 °C. El agua también se puede electrolizar en gases de oxígeno e hidrógeno, pero en ausencia de iones disueltos, este es un proceso muy lento, ya que se conduce muy poca corriente. En el hielo, los portadores de carga primaria son protones (ver conductor de protones)., Anteriormente se pensaba que el hielo tenía una conductividad pequeña pero medible de 1×10-10 S / cm, pero ahora se cree que esta conductividad es casi enteramente de defectos superficiales, y sin ellos, el hielo es un aislante con una conductividad inconmensurablemente pequeña.
la Polaridad y el hidrógeno bondingEdit
Un diagrama que muestra el parcial de los cargos de los átomos en una molécula de agua
Una característica importante de agua es su naturaleza polar., La estructura tiene una geometría molecular doblada para los dos hidrógenos del vértice de oxígeno. El átomo de oxígeno también tiene dos pares solitarios de electrones. Un efecto generalmente atribuido a los pares solitarios es que el ángulo de curvatura en fase gaseosa H–O–H es de 104,48°, que es más pequeño que el ángulo tetraédrico típico de 109,47°. Los pares solitarios están más cerca del átomo de oxígeno que los electrones sigma enlazados a los hidrógenos, por lo que requieren más espacio. El aumento de la repulsión de los pares solitarios fuerza a los enlaces O-H más cerca unos de otros.
otra consecuencia de su estructura es que el agua es una molécula polar., Debido a la diferencia en electronegatividad, un momento dipolar de enlace apunta de cada H A La O, haciendo que el oxígeno sea parcialmente negativo y cada hidrógeno parcialmente positivo. Un dipolo molecular grande, apunta desde una región entre los dos átomos de hidrógeno al átomo de oxígeno. Las diferencias de carga hacen que las moléculas de agua se agreguen (las áreas relativamente positivas son atraídas a las áreas relativamente negativas). Esta atracción, el enlace de hidrógeno, explica muchas de las propiedades del agua, como sus propiedades solventes.,
aunque el enlace de hidrógeno es una atracción relativamente débil en comparación con los enlaces covalentes dentro de la molécula de agua en sí, es responsable de varias de las propiedades físicas del agua. Estas propiedades incluyen sus temperaturas relativamente altas de fusión y punto de ebullición: se requiere más energía para romper los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. En contraste, el sulfuro de hidrógeno (H
2S), tiene un enlace de hidrógeno mucho más débil debido a la menor electronegatividad del azufre. H
2S es un gas a temperatura ambiente, a pesar de que el sulfuro de hidrógeno tiene casi el doble de la masa molar del agua., La Unión adicional entre las moléculas de agua también le da al agua líquida una gran capacidad calorífica específica. Esta alta capacidad de calor hace que el agua sea un buen medio de almacenamiento de calor (refrigerante) y un escudo térmico.
cohesión y adhesióneditar
gotas de rocío adheridas a una tela de araña
las moléculas de agua permanecen cerca unas de otras (cohesión), debido a la acción colectiva de enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua., Estos enlaces de hidrógeno se rompen constantemente, con nuevos enlaces que se forman con diferentes moléculas de agua; pero en un momento dado en una muestra de agua líquida, una gran parte de las moléculas se mantienen unidas por dichos enlaces.
el agua también tiene altas propiedades de adhesión debido a su naturaleza polar. En vidrio extremadamente limpio / liso, el agua puede formar una película delgada porque las fuerzas moleculares entre el vidrio y las moléculas de agua (fuerzas adhesivas) son más fuertes que las fuerzas cohesivas.,En las células biológicas y orgánulos, el agua está en contacto con membranas y superficies de proteínas que son hidrofílicas; es decir, superficies que tienen una fuerte atracción por el agua. Irving Langmuir observó una fuerte fuerza repulsiva entre superficies hidrofílicas. Para deshidratar las superficies hidrofílicas-para eliminar las capas fuertemente retenidas de agua de hidratación—se requiere hacer un trabajo sustancial contra estas fuerzas, llamadas fuerzas de hidratación. Estas fuerzas son muy grandes pero disminuyen rápidamente en un nanómetro o menos., Son importantes en Biología, particularmente cuando las células se deshidratan por exposición a atmósferas secas o a congelación extracelular.
Lluvia flujo de agua de un dosel. Entre las fuerzas que gobiernan la formación de gotas: tensión superficial, cohesión (química), fuerza de Van der Waals, inestabilidad de Plateau–Rayleigh.
Superficie tensionEdit
Este clip está bajo el nivel del agua, que se ha levantado suavemente y sin problemas., La tensión superficial evita que el clip se sumerja y el agua rebose los bordes del vidrio.
dependencia de la Temperatura de la tensión de superficie de agua pura
el Agua tiene una inusualmente alta tensión superficial de 71.99 mN/m a 25 °C, que es causada por la fuerza de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Esto permite a los insectos caminar sobre el agua.
acción Capilareditar
debido a que el agua tiene fuertes fuerzas cohesivas y adhesivas, exhibe acción capilar., La fuerte cohesión de la Unión y adhesión de hidrógeno permite a los árboles transportar agua a más de 100 m hacia arriba.
agua como solventeditar
la presencia de carbonato de calcio coloidal de altas concentraciones de cal disuelta convierte el agua de Havasu cae turquesa.
el Agua es un excelente disolvente, debido a su alta constante dieléctrica., Las sustancias que se mezclan bien y se disuelven en agua se conocen como sustancias hidrofílicas («amantes del agua»), mientras que las que no se mezclan bien con el agua se conocen como sustancias hidrofóbicas («temiendo el agua»). La capacidad de una sustancia para disolverse en agua está determinada por si la sustancia puede igualar o mejorar las fuertes fuerzas atractivas que las moléculas de agua generan entre otras moléculas de agua. Si una sustancia tiene propiedades que no le permiten superar estas fuertes fuerzas intermoleculares, las moléculas se precipitan fuera del agua., Contrariamente a la idea errónea común, el agua y las sustancias hidrofóbicas no «repelen», y la hidratación de una superficie hidrofóbica es energéticamente, pero no entrópicamente, favorable.
Cuando un compuesto iónico o polar entra en el agua, está rodeado por moléculas de agua (hidratación). El tamaño relativamente pequeño de las moléculas de agua (~ 3 angstroms) permite que muchas moléculas de agua rodeen una molécula de soluto. Los extremos dipolares parcialmente negativos del agua son atraídos a componentes cargados positivamente del soluto, y viceversa para los extremos dipolares positivos.,
en general, las sustancias iónicas y polares como ácidos, alcoholes y sales son relativamente solubles en agua, y las sustancias no polares como grasas y aceites no lo son. Las moléculas no polares permanecen juntas en el agua porque es energéticamente más favorable para que las moléculas de agua se unan entre sí que para participar en interacciones de van der Waals con moléculas no polares.
un ejemplo de un soluto iónico es la sal de mesa; El cloruro de sodio, NaCl, se separa en cationes Na + y aniones Cl –
, cada uno rodeado por moléculas de agua., Los iones son transportados fácilmente lejos de su red cristalina en solución. Un ejemplo de un soluto no iónico es el azúcar de mesa. Los dipolos de agua hacen enlaces de hidrógeno con las regiones polares de la molécula de azúcar (grupos OH) y permiten que se lleve a la solución.
túnel Cuánticoeditar
la dinámica de túnel cuántico en el agua se informó ya en 1992. En ese momento se sabía que hay movimientos que destruyen y regeneran el enlace de hidrógeno débil por las rotaciones internas de los monómeros de agua sustituyentes., El 18 de marzo de 2016, se informó que el enlace de hidrógeno puede ser roto por un túnel cuántico en el hexámero de agua. A diferencia de los movimientos de túnel reportados anteriormente en el agua, esto implicó la ruptura concertada de dos enlaces de hidrógeno. Más tarde, en el mismo año, se informó del descubrimiento del túnel cuántico de moléculas de agua.
absorción Electromagnéticaeditar
El agua es relativamente transparente a la luz visible, la luz ultravioleta cercana y la luz roja lejana, pero absorbe la mayoría de la luz ultravioleta, la luz infrarroja y las microondas., La mayoría de los fotorreceptores y pigmentos fotosintéticos utilizan la porción del espectro de luz que se transmite bien a través del agua. Los hornos de microondas aprovechan la opacidad del agua a la radiación de microondas para calentar el agua dentro de los alimentos. El color azul claro del agua es causado por una absorción débil en la parte roja del espectro visible.
