Molècula d'aigua

Molècula d'aigua

El aigua o oxidano (H₂O) és un compost químic inorgànic format per dos àtoms d'hidrogen (H) i un d'oxigen (O). Esta molècula és essencial en la vida dels sers vius, en servir de mig per al metabolisme de les biomoléculas, es troba en la naturalea en els seus tres estats i va ser clau per al seu formació. Cal distinguir entre l'aigua potable i l'aigua pura, puix la primera és una mescla que també conté sals en solució; és per açò que en laboratori i en atres àmbits s'usa aigua destilada.

Propietats de l'aigua

Vore també: Gele i Vapor d'aigua

Provinent del llatí aqua, és el terme que s'usa per a referir-se a l'aigua en estat líquit (entre 0 °C i 100 °C). En trobar-se per baix dels 100°, l'aigua es manté intacta. Per esta raó existixen els oceans, mars, rius, llac o estanys dispersos sobre la Terra.

Característiques físiques i químiques

L'aigua és inodora, incolora, i insípida, és dir, no té una olor pròpia, no té color ni sabor. La seua importància residix que casi la totalitat dels processos químics que succeïxen en la naturalea, no solament en organismes vius sino també en la superfície no organisada de la terra, aixina com els que es porten a terme en laboratoris i en l'indústria, tenen lloc entre substàncies dissoltes en aigua.

Henry Cavendish va descobrir en 1781 que l'aigua era una substància composta en lloc d'un element, com en l'antiguetat es creïa. Els resultats de dit descobriment varen ser desenrollats per Antoine Laurent de Lavoisier (químic destacat en diferents temes de la química) donant a conéixer que l'aigua estava formada per dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen. En 1804, el químic francés Joseph Louis Gai-Lussac i el naturaliste i geógrafo alemà Alexander von Humboldt varen publicar un document científic que demostrava que l'aigua estava formada per dos volums d'hidrogen per cada volum d'oxigen (H₂O).

La molècula d'aigua adopta una geometria no llineal, en els dos àtoms d'hidrogen formant un àngul de 104,45 graus entre sí. Esta configuració, junt en la major electronegatividad de l'àtom d'oxigen li conferixen polaridad a la molècula, que el seu moment dipolar elèctric és de 6,2x10^-30 C m. Este caràcter dipolar de la molècula d'aigua dona lloc a la formació de fins a quatre enllaces d'hidrogen en molècules circumdants.

Els enllaços per ponts d'hidrogen són enllaços per forces de van der Waals de gran magnitut, encara que són unes 20 voltes més dèbils que els enllaços covalente; són responsables de la dilatació de l'aigua al solidificarse, és dir, la seua disminució de densitat quan es congela. En estat sòlit, les molècules d'aigua s'ordenen formant tetraedres, situant-se en el centre de cada tetraedre un àtom d'oxigen i en els vèrtiços dos àtoms d'hidrogen de la mateixa molècula i atres dos àtoms d'hidrogen d'atres molècules que s'enllacen electrostáticamente per ponts d'hidrogen en l'àtom d'oxigen. l'estructura cristalina resultant és molt oberta i poc compacta, menys densa que en estat líquit. L'aigua té una densitat màxima de 1 g/cm³ quan està a una temperatura de 4 °C, característica especialment important en la naturalea que fa possible el manteniment de la vida en mijos aquàtics somesos a condicions exteriors de baixes temperatures.

La dilatació de l'aigua al solidificarse també té efectes d'importància en els processos geològics d'erosió. En introduir-se aigua en clavills del sol i congelar-se posteriorment, s'originen tensions que trenquen les roques.

Dissolvent

L'aigua és descrita moltes voltes com el solvent universal, perque dissol molts dels composts sòlits, acuosos i gaseosos coneguts. No obstant, no ho és (encara que és tal volta lo més propenc), perque no dissol a tots els composts i, de fer-ho, no seria possible construir cap recipient per a contindre-la.

L'aigua és un dissolvent polar, més polar, per eixemple, que l'etanol. Com a tal, dissol be substàncies iòniques i polars, com la sal de taula (clorur de sodi). No dissol, de manera apreciable, substàncies fortament apolares, com el sofre en la majoria de les seues formes alotrópicas, ademés, és inmiscible en dissolvents apolares, com el hexano. Esta qualitat és de gran importància per a la vida.

Esta selectivitat en la dissolució de distintes classes de substàncies es deu a la seua capacitat per a formar ponts d'hidrogen en atres substàncies que poden presentar grups polars, o en càrrega iònica, com: alcoholés, sucreés en grups R-OH, aminoàcits i proteïnas en grups que presenten càrregues parcials + i − dins de la molècula, lo que dona lloc a dissolució moleculars. També, les molècules d'aigua poden dissoldre substàncies salines que es disocian formant dissolució iòniques.

En les dissolució iòniques, els ions de les sals orienten, pel camp elèctric que creen al seu entorn, als dipols de l'aigua, quedant "atrapats" i recoberts de molècules d'aigua en forma de ions hidratados o solvatados.

Algunes substàncies, no obstant, no es mesclen be en l'aigua, incloent olis i atres substàncies hidrofòbiques. Membranes celulars, compostes de lípits i proteïnas, aprofiten esta propietat per a controlar les interaccions entre els seus continguts químics i els externs, lo que es facilita, en part, per la tensió superficial de l'aigua.

La capacitat dissolvent és responsable de:

• Les funcions metabòliques.
• Els sistemes de transport de substàncies en els organismes.

No obstant, la dissolució de substàncies en l'aigua és la causa de la contaminació de la mateixa: si es tiren materials sensibles a l'aigua com a plàstic o fusta, en anys (que podrien ser més de 100) es desintegren i passen a circular lliure i perillosament per l'aigua. Açò és principalment mal per als animals aquàtics. Els més perillosos contaminants són:

• Tire de fem a l'aigua (bosses, botelles, fustes, restants de menjar, substàncies líquides àcides, etc), que en el temps es desintegra.
• Derrames petrolers: grans accidents sobre una plataforma petrolera que derramen petròleu i toxines en la mar/oceà.

• Degradació dels naufragis: El rescat de derelictes és important, ya que en el temps, els avions i barcos sumergits en l'aigua es degraden i contaminen l'aigua. Una idea molt bona per a rescatar derelictes seria destruint-los i dur-los a la superfície de péntols (per a que no siguen tan pesats), pero és inacceptable deixar-los en el fondo.
• Procés de substàncies químiques: el tire de substàncies químiques molt complexes a l'aigua. L'única forma que existix per a separar estes substàncies és en métodos científics com la destilació.

Polaridad

Les molècules d'aigua són molt polars, ya que hi ha una gran diferència d'electronegatividad entre l'hidrogen i l'oxigen. Els àtoms d'oxigen són molt més electronegativos (atrauen més als electrons) que els de hidrogen, lo que dota als dos enllaços d'una forta polaridad elèctrica, en un excés de càrrega negativa del costat de l'oxigen, i de càrrega positiva del costat de l'hidrogen. Els dos enllaços no estan oposts, sino que formen un àngul de 104,45° per l'hibridació de l'àtom d'oxigen aixina que, en conjunt, els tres àtoms formen una molècula angular, carregat negativament en el vèrtiç de l'àngul, a on s'ubica l'oxigen i, positivament, en els extrems de la molècula, a on es troben els hidrogen. Este fet té una important conseqüència, i és que les molècules d'aigua s'atrauen fortament, adherint-se per a on són opostes les càrregues. En la pràctica, un àtom d'hidrogen servix com a pont entre l'àtom d'oxigen al que està unit covalentemente i l'oxigen d'una atra molècula. L'estructura anterior es denomina enllaç d'hidrogen o pont d'hidrogen.

El fet de que les molècules d'aigua s'adherixquen electrostáticament, a la seua volta modifica moltes propietats importants de la substància que cridem aigua, com la viscosidad dinàmica, que és molt gran, o els punts (temperatures) de fusió i ebullició o els calors de fusió i vaporisació, que s'assemblen als de substàncies de major massa molecular.

Cohesió

La cohesió és la propietat per la que les molècules d'aigua s'atrauen entre sí. Per esta interacció es formen cossos d'aigua per adheriment de molècules d'aigua, les gotes.

Els ponts d'hidrogen mantenen les molècules d'aigua fortament unides, formant una estructura compacta que la convertix en un líquit casi incompresible. Al no poder comprimir-se pot funcionar en alguns animals com un esquelet hidrostàtic, com ocorre en alguns cucs perforadores capaces de foradar la roca per mig de la pressió generada pels seus líquits interns. Estos ponts es poden trencar fàcilment en l'arribada d'una atra molècula en un pol negatiu o positiu depenent de la molècula, o, en la calor.

La força de cohesió permet que l'aigua es mantinga líquida a temperatures no extremes.

Adheriment

L'aigua, pel seu gran potencial de polaridad, conta en la propietat de l'adheriment, és dir, l'aigua generalment és atreta i es manté adherida a atres superfícies.

Tensió superficial

L'efecte que produïx en caure una gota d'aigua en la superfície del líquit.

Per la seua mateixa propietat de cohesió, l'aigua té una gran atracció entre les molècules de la seua superfície, creant tensió superficial. La superfície del líquit es comporta com una película capaç d'allargar-se i al mateix temps oferir certa resistència en intentar trencar-la; esta propietat contribuïx a que alguns objectes molt llaugers suren en la superfície de l'aigua encara sent més densos que esta. A pressió constant, l'índex de tensió superficial de l'aigua disminuïx en aumentar la seua temperatura.

Per la seua elevada tensió superficial, alguns insectes poden estar sobre ella sense sumergir-se i, inclús, hi ha animals que corren sobre ella, com el basilisco. També és la causa de que es veja molt afectada per fenomens de capilaridad.

Les gotes d'aigua són estables també per la seua alta tensió superficial. Açò es pot vore quan chicotetes cantitats d'aigua es posen en superfícies no solubles, com el vidre, a on l'aigua s'agrupa en forma de gotes.

Acció capilar

L'aigua conta en la propietat de la capilaridad, que és la propietat d'ascens, o descens, d'un líquit dins d'un tubo capilar. Açò es deu a les seues propietats d'adheriment i cohesió.

Quan s'introduïx un capilar en un recipient en aigua, esta ascendix espontàneament pel capilar com si trepara "agarrant-se" per les parets, fins a alcançar un nivell superior al del recipient, a on la pressió que eixercix la columna d'aigua s'equilibra en la pressió capilar. A este fenomen es deu, en part, l'ascensió de la llacor bruta, des de les raïls fins als fulls, a través dels gots leñosos.

Calor específica

Esta propietat també es troba en relació directa en la capacitat de l'aigua per a formar ponts d'hidrogen intermoleculars. L'aigua pot absorbir grans cantitats de calor que és utilisat per a trencar els ponts d'hidrogen, per lo que la temperatura s'eleva molt llentament. El calor específica de l'aigua es definix com la cantitat d'energia necessària per a elevar la temperatura, en un grau Celsius, a un gram d'aigua en condicions estàndar i és de 1 calç/°C•g, que és igual a 4,1840 J/K•g.

Esta propietat és fonamental per als sers vius (i la Biosfera en general) ya que gràcies a açò, l'aigua reduïx els canvis bruscs de temperatura, sent un regulador tèrmic molt bo. Un eixemple d'açò són les temperatures tan suaus que hi ha en les zones costeres, que són conseqüències d'estes propietat. També ajuda a regular la temperatura dels animals i les cèlules permetent que la citoplasma acuoso servixca de protecció davant els canvis de temperatura. Aixina es manté la temperatura constant.

La capacitat calorífica de l'aigua és major que la d'atres líquits.

Para evaporar l'aigua es necessita molta energia. Primer cal trencar els ponts i posteriorment dotar a les molècules d'aigua de la suficient energia cinètica per a passar de la fase líquida a la gaseosa. Per a evaporar un gram d'aigua es precisen 540 calories, a una temperatura de 100 °C.

Temperatura de fusió i evaporament

Presenta un punt d'ebullició de 100 °C (373,15 K) a pressió de 1 atmòsfera (es considera com a estàndar per a la pressió d'una atmòsfera la pressió promig existent al nivell de la mar). La calor latent d'evaporament de l'aigua a 100 °C és 540 calç/g (o 2260 J/g).

Té un punt de fusió de 0 °C (273,15 K) a pressió de 1 atm, no obstant, nous estudis per part d'un equip de químics de l'Universitat d'Utah (EE. UU.), han demostrat que l'aigua no es fusiona completament a 0 °C sino que és a -13 °C que el gèl es solidifica per complet. La calor latent de fusió del gèl a 0 °C és 80 calç/g (o 335 J/g). Té un estat de sobreenfriado líquit a −25 °C.

La temperatura crítica de l'aigua, és dir, aquella a partir de la qual no pot estar en estat líquit independentment de la pressió a la que estiga somesa, és de 374 °C i es correspon en una pressió de 217,5 atmòsfera.

Densitat

La densitat de l'aigua líquida és molt estable i varia poc en els canvis de temperatura i pressió.

A la pressió normal (1 atmòsfera), l'aigua líquida té una mínima densitat als 100 °C, a on té 0,958 kg/L. Mentres baixa la temperatura, aumenta la densitat (per eixemple, a 90 °C té 0,965 kg/L) i eixe aument és constant fins a aplegar als 4,0 °C, a on alcança la seua màxima densitat: 1 kg/L.

Cristalisació

A partir d'eixe punt, en baixar la temperatura, la densitat comença a disminuir, encara que molt llentament, fins que als 0 °C disminuïx fins a 0,9999 kg/L. Quan pansa a l'estat sòlit (a 0 °C), ocorre una brusca disminució de la densitat passant de 0,9999 kg/L a 0,917 kg/L.

La cristalisació és el procés pel que l'aigua passa del seu estat líquit al sòlit quan la temperatura disminuïx de forma contínua convertint-ho en gèl.

Atres propietats

• pH neutre, en presència de CO₂ es torna llaugerament àcit.
• En certes sals forma hidrats.
• Reacciona en els òxits de metals formant bases.
• És catalisador en moltes reaccions químiques.
• Presenta un equilibri de autoionización, en el qual hi ha ionés H₃O⁺ i OH⁻.

Estudi Hidrobiológico

La realisació d'un estudi hidrobiológico permet:

• Proporcionar senyes sobre l'estat d'un sistema aquàtic de forma regular.
• Documentar la variabilitat a curt i llarc determini de la calitat de l'aigua per fenomens naturals o activitats humanes.
• Evaluar l'impacte de la polució produït per l'activitat humana.
• Evaluar l'influència de certes zones de mostreig sobre la fauna del lloc.
• Evaluar les característiques hidràuliques del caixer del riu i l'evolució del cabal per mig de mides de fluix. D'esta manera, es pot establir les variacions de cabal que sofrix el riu a lo llarc de cicle estacional i anual.
• Realisar un estudi de la rivera.
• Evaluar els Índexs Biològics.

Destilació

Artícul principal → Aigua destilada.

Per a obtindre aigua químicament pura és necessari realisar diversos processos físics de purificació ya que l'aigua és capaç de dissoldre una gran cantitat de substàncies químiques, incloent gasés.

Es diu aigua destilada a l'aigua que ha segut evaporada i posteriorment condensada. En realisar este procés s'eliminen casi la totalitat de substàncies dissoltes i microorganismes que sol contindre l'aigua i el resultat és pràcticament la substància química pura H₂O.

L'aigua pura no conduïx l'electricitat, puix està lliure de sales i mineralés.