INTRODUCION
El agua es agua es el componente que aparece aparece con mayor abundancia en la superficie Tierra)). Forma los océanos, los terrestre (cubre cerca del 71% de la corteza de la Tierra ríos y las lluvias, además de ser parte constituyente de todos los organismos vivos. La circulación del agua en los ecosistemas se produce a través de un ciclo que consiste en la evaporación o transpiración, transpiración, la precipitación y el desplazamiento hacia el mar.
Agua H2O La molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos por un enlace covalente. Es decir, los dos átomos de hidrógeno y el de oxígeno se unen compartiendo electrones. Su fórmula es H2O , Se trata de un líquido inodoro (sin inodoro (sin olor), insípido (sin insípido (sin sabor) e incoloro (sin incoloro (sin color), aunque también puede hallarse en estado sólido (cuando se conoce como hielo hielo)) o en estado gaseoso ( vapor vapor)).
Estructura y propiedades del agua La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes. El ángulo entre los enlaces H-O-H es de 104'5º. El oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.
El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones ), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa , mientras mientras que los núcleos de hidrógeno quedan parcialmente desprovistos de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.
Por ello se dan interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces por puentes de hidrógeno, la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes. Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.
Puentes de hidrogeno en el agua 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
Puentes de hidrogeno 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.
Propiedades Físicas Del Agua 1) Estado físico: sólida, liquida y gaseosa 2) Color : incolora 3) Sabor: insípida
4) Olor: inodoro 5) Densidad: 1 g./c.c. a 4°C 6) Punto de congelación: 0°C 7) Punto de ebullición: 100°C 8) Presión critica: 217,5 atm. 9) Temperatura critica: 374°C
Propiedades Químicas del Agua 1)Reacciona con los óxidos ácidos 2)Reacciona con los óxidos básicos 3)Reacciona con los metales 4)Reacciona con los no metales 5)Se une en las sales formando hidratos 1)Los anhídridos u óxidos ácidos reaccionan con el agua y forman ácidos oxácidos. 2) Los óxidos de los metales u óxidos básicos reaccionan con el agua para formar hidróxidos. Muchos óxidos no se disuelven en el agua, pero los óxidos de los metales activos se combinan con gran facilidad. 3) Algunos metales descomponen el agua en frío y otros lo hacían a temperatura elevada. 4)El agua reacciona con los no metales, sobre todo con los halógenos, por ej: Haciendo pasar carbón al rojo sobre el agua se descompone y se forma una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno (gas de agua). 5)El agua forma combinaciones complejas con algunas sales, denominándose hidratos. En algunos casos los hidratos pierden agua de cristalización cambiando de aspecto, y se dice que son eflorescentes, como le sucede al sulfato cúprico, que cuando está hidratado es de color azul, pero por pérdida de agua se transforma en sulfato cúprico anhidro de color blanco.
Ionización del agua Una de las propiedades más importantes propiedades del agua es su capacidad para actuar como un ácido o como una base, i,e, de funcionar como una moléculaanfiprótica (del griego anfi, ambos). Solo las moléculas o iones anfipróticos pueden sufrir autoprotolisis. En presencia de un ácido el agua actúa como base, mientras que en presencia de una base el agua actúa como un ácido. No es sorprendente por lo tanto que en agua pura una molécula pueda donar un protón a otra en una reacción el la cual el agua actúa tanto como ácido como base al mismo tiempo. Así, el agua pura se encuentra autoionizada (autoprotolisis) en una pequeñísima proporción según el proceso reversible:
En una reacción de transferencia de un protón desde una molécula de agua otra; el ión oxonio , cuando está solvatado (en disolución acuosa, hidratado) se llama ión hidronio . La reacción se puede escribir de forma sencilla utilizando la concentración de iones hidrógeno
La constante de equilibrio para este equilibrio químico a una determinada temperatura es:
Teniendo en cuenta que la concentración molar del agua pura es (calculada a partir de su densidad y masa molar , mientras que la concentración de iones hidrógeno, a la temperatura estándar de es solo de , es decir una cantidad despreciable frente a 55.5 M se puede considerar que la molaridad del agua es una constante que puede ser incorporada en una constante “mayor” que incluya también a y que es conocida como producto iónico del agua, . El valor de (el subíndice proviene de water palabra en inglés que significa agua) se calcula teniendo en cuenta que las mediadas experimentales de la extensión de la disociación de las moléculas de agua las cuales muestran que la concentración de (en forma de iones hidronio) en agua pura es de M a 25 ºC. Ya que la reacción de disociación del agua produce igual concentración de iones que iones hidroxilo la concentración molar de en agua pura será también de a 25 ºC. Esto es: a 25 ºC Luego: Producto iónico del agua Este valor se mantiene constante, siempre que la temperatura sea de 25 ºC , no importa que otras sustancias estén presentes en la disolución. La relación entre las moléculas de agua disociadas frente a las no disociadas es aproximadamente de 2 a , un número muy pequeño: / Hay dos aspectos importantes en la dinámica del equilibrio de la disociación del agua. Primero, las reacciones directa y reversa son rápidas; las moléculas de , iones y se interconvierten rápidamente por transferencia protónica de una especie a otra. Segundo la posición del equilibrio está desplazado hacia la izquierda de la ecuación según está escrita, en cualquier instante dado solo una pequeña fracción de las moléculas de agua están disociadas en y . La vasta mayoría de las moléculas de agua están sin disociar. Así se puede distinguir las soluciones acuosas como ácidas, neutras y básicas por los valores relativos de la concentración de iones (oxonio) hidronios y iones hidroxilo , esto es: Ácida: Neutra:
Básica: Una disolución se considera neutra cuando ; ácida cuando y básica cuando la . Por otra parte las correspondientes concentraciones del ión hidróxido se pueden calcular fácilmente mediante el producto iónico del agua.
Concepto y escala de pH La acidez de una disolución está determinada por la concentración de iones hidronios . Pero las concentraciones de iones hidronios en las disoluciones pueden cubrir un intervalo enorme. Desde una disolución de 1M de hasta otra de 1M de , la variación es de uno a cien billones. Por otra parte, se trata de números muy pequeños que tiene que ser expresados como potencias negativas de 10, de manejo poco práctico. Con el fin de expresar estas concentraciones de una forma más sencilla que evitase manejar potencias negativas, el químico danés S.P. L. Sörensen (1868-1939) introdujo en 1909 el concepto de que se define como el logaritmo decimal cambiado de la concentración de iones hidrónio:
o expresado simplemete:
El símbolo proviene de la expresión francesa puissance d’hydrogène ( “potencial de hidrógeno”) , puesto que el es función lineal del potencial electroquímico de la disolución medido a través de un electrodo especial llamado electrodo de hidrógeno. Es evidente que la definición se puede deducir fácilmente que la igualdad
Así una disolución será: Neutra cuando su Esto es Ácida cuando sea inferior a 7, Básica cuando sea superior a 7. Debido a que la escala de pH es logarítmica (no aritmética) el pH cambia en una unidad cuando la concentración de cambia por un factor de 10, por 2 unidades cuando de cambia por un factor de 100, y por 6 unidades cuando la concentración de
comparando las cantidades de ácido clorhídrico necesario para cambiar el pH de una piscina. Se necesitaría solo 100 ml de una solución de para cambiar el pH del agua de la piscina de 7 a 6, pero se necesitarían 10000 litros de esa misma solución para cambiar el pH de la piscina 7 a 1. Para que tenga un valor práctico, la escala ordinaria de pH se establece convencionalmente en un extremo muy básico representado por una disolución de ¡M de hidróaxido sódico , al que correspondería un , y un extremo muy ácido ejemplificado en una disolución de 1M de ácido clorhídrico , cuyo Análogamente se define el
como
Si se toman logaritmos en los dos miembros del producto iónico del agua, se llega a la relación:
Una importante relación que ayuda bastante en los cálculos sobre problemas de sistemas ácido-base.
Soluciones electrolíticas Las soluciones de electrolitos tienen propiedades coligativas con valores mayores que los correspondientes a su concentración molar. Los electrolitos son sustancias que en solución acuosa o como sales fundidas conducen la corriente eléctrica. Pueden ser ácidos, HCl, H2SO4, CH3COOH, bases NaOH, Ba(OH)2, NH4OH o sales CH3COONa, NaCl (la sal conduce a 802 °C porque se funde) Además, las reacciones de los electrolitos son más rá- pidas que las de otros reactivos. Los electrolitos en solución, se dividen en iones de signo contrario, la carga de cada ión es igual a su valencia y el número total de cargas positivas y negativas en la solución son iguales. En los compuestos iónicos los iones existen en todo momento, aún en estado sólido, por eso, cuando se funden los cristales iónicos, los iones también quedan libres para conducir la corriente. Al disolverse en agua los iones se separan de la red cristalina y, se hidratan, son rodeados por moléculas de agua, entonces cada ión queda como una partícula individual. Ión negativo Ión positivo Figura 2. Hidratación de iones en agua Por otro lado, la disociación de compuestos covalentes implica una reacción con el solvente. Algunos compuestos covalentes tienen enlaces fuertemente polares, como el enlace O-H del radical carboxilo o el H-Cl del Cloruro de Hidrógeno; cuando estos enlaces entran en contacto con el agua, la polaridad de esta basta para arrancar el protón del Hidrógeno, sin su electrón, dando lugar a la liberación de partículas cargadas, el protón positivo y el carboxilato o cloruro negativos. En ambos casos se forman iones en la solución y esto permite al electrolito conducir la corriente eléctrica. Cuando existe una diferencia de potencial eléctrico, los cationes positivos se mueven hacia el cá- todo (electrodo negativo) y los aniones negativos hacia el ánodo (electrodo positivo) Al llegar a los electrodos los iones reaccionan cediendo electrones (los aniones) o ganándolos (los cationes) para de esta manera conducir la electricidad.
Cada electrolito tiene una disociación distinta, excepto a dilución infinita, cuando todos están totalmente disociados. Según el grado de disociación que presentan, los electrolitos se dividen en fuertes y débiles. Un electrolito es fuerte cuando en solución se encuentra completamente disociado, mientras que un electrolito es débil cuando sólo está parcialmente disociado. Los electrolitos fuertes son los ácidos y bases minerales, con excepción de los ácidos fosfórico y carbónico, y las sales tanto de ácidos minerales como orgánicos. Son electrolitos débiles los ácidos carboxílicos y las bases orgánicas.
IONIZACIÓN DEL AGUA Kw y pH
El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de: Agua molecular (H2O ) Protones hidratados (H3O+ ) e Iones hidroxilo (OH-) En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto iónico del agua a 25: es
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10-7. Para simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones. Según ésto: Disolución neutra pH = 7 Disolución ácida pH < 7
Disolución básica pH > 7 En siguiente figura se señala el pH de algunas soluciones. En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.
Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos. Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente. El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua:
Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio exterior. Los ácidos fuertes se disocian completamente, cuando se disuelven en agua. Ejemplos: H2SO4, HCl, HNO3, HClO4. Ka = ∞ pH = -log [H+]=-log[Ac. Fuerte] Los ácidos de fuerza media se disocian parcialmente, sus constantes de acidez o de disociación son mayores a 1 x 10-3 aproximadamente.
Los ácidos débiles: No se disocian completamente. Entre más pequeña es la constante de acidez (Ka), más débil es la acidez. Son ácidos débiles aquellos que tienen constantes de acidez menores o iguales a 1x10-3
Base: sustancia capaz de donar iones OH-. Bases fuertes: se disocian al 100%, dona todos sus OH-. Son las bases de los metales alcalinos y alcalinotérreos como NaOH, KOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2. Kb = ∞ pH = 14 + log [OH-]. Bases débiles: No se disocian completamente.
Base conjugada de un ácido de Bronsted: es la especie que resulta cuando el ácido pierde un protón. • Ácido conjugado: es el producto de la adición de un protón con una base de Bronsted. A un ácido muy fuerte le corresponde una base conjugada muy débil. A una base muy fuerte le corresponde un ácido conjugado muy débil. Relación entre la constante de acidez de un ácido y la constante de basicidad de su base conjugada.
Las soluciones electrolíticas presentan comportamiento anómalo con relación a sus propiedades coligativas; soluciones acuosas de diferentes electrolitos a la misma molalidad ejercen un efecto mayor que el que corresponde a su concentración molal.
MEDIDA DEL pH Para medir el pH de una disolución podemos emplear dos métodos, en función de la precisión con que
queramos hacer la medida: Para realizar medidas del pH que no necesiten ser muy precisas se utilizan unas sustancias llamadas indicadores, que varían reversiblemente de color en función del pH del medio en que están disueltas. Se pueden añadir directamente a la disolución o utilizarlas en forma de tiras de papel indicador (tabla inferior). Para realizar medidas exactas se utiliza un pH-metro, que mide el pH ( la tabla inferior) por un método potenciométrico
ANALIZADOR DE pH - pHmetro El analizador de pH se utiliza para determinar la concentración de iones del gas hidrógeno [H+] en una disolución. Este equipo permite realizar mediciones de la acidez de una solución acuosa, siempre que el mismo sea utilizado de forma cuidadosa y se ajuste a procedimientos plenamente comprobados. A los analizadores de pH se les denomina, además, pHmetros, monitores de pH o potenciómetros.
PROPÓSITO DEL EQUIPO El analizador de pH es un instrumento de uso común en cualquier campo de la ciencia relacionado con soluciones acuosas. Se utiliza en áreas como la agricultura, el tratamiento y purificación de agua, en procesos industriales como los petroquímicos, fabricación de papel, alimentos, metalmecánica, farmacia e investigación y desarrollo, entre otros. En el laboratorio de salud, las aplicaciones del instrumento están relacionadas con el control de medios de cultivo, controlar y/o medir la alcalinidad o acidez de caldo s y buffer. En equipos especializados de diagnóstico de laboratorio, se usan los mismos principios utilizando microelectrodos para medir la acidez o alcalinidad de los componentes líquidos de la sangre, en donde la sustancia más importante es el agua que contiene gran cantidad de sales y sustancias orgánicas disueltas. El pH del plasma sanguíneo es una de las características que permite evaluar y determinar el estado de salud de un paciente; su valor varía normalmente – en el plasma – entre 7,35 y 7,45. Dicho valor está relacionado con el metabolismo del paciente, proceso en el cual ocurre multitud de reacciones que resultan inherentes al proceso vital, en las cuales se producen y eliminan ácidos y bases que, en condiciones normales, se mantienen en equilibrio. Los ácidos liberan constantemente iones [H+] que el organismo neutraliza o equilibra mediante la liberación de iones de bicarbonato [HCO3 –]. El organismo mantiene el equilibrio acido-básico a través de los riñones, órganos en los cuales se elimina cualquier exceso que se presente. –Es una de las características que varía dependiendo de factores como la edad o el estado de salud del paciente –. Se presentan a continuación los valores típicos de pH de algunos fluidos corporales. una sol amortiguadora como lo dice su nombre es una solución que va amortiguar variaciones en el pH de una solución, si tienes agua y le agregas un ácido el pH del agua variara bruscamente, pero si tienes una solución amortiguadora y le agregas ácido el pH casi no varía por su efecto amortiguador; existen dos tipos amortiguadores ácidos y básicos y están formados por un ácido o base débil y su sal correspondiente o par conjugado ejemplo:
ácido acético y acetato de sodio ( HC2H3O2 + NaC2H3O2) o hidroxido de amonio y cloruro de amonio (NH4OH + NH4Cl)
Como preparar una solución amortiguadora. 1Usa la multiplicacion de la molaridad de la solución final y su volumen para determinar los moles de base requeridos. Por ejemplo, si 2 litros de una solución 0,1 M son requeridos para una solución de amortiguador Tris, el número de moles de Tris requeridos es: 0.1 moles/litros x 2 litros = 0.2 moles Tris base 2Calcula la masa de buffer requerida multiplicando el número de moles necesitados por el peso molecular de la base. Por ejemplo, la masa de 0.2 moles de base Tris equivale a: 0.2 moles Tris x 121,1 g/mol Tris = 24,22 g Tris 3Mide la masa apropiada de base en una balanza. 4Disuelve la base en agua destilada usando una barra magnética para agitar y un calentador eléctrico para agitar. Disuélvela en un volumen de agua apenas menor al volumen de la solución final (959 a 975 ml por cada litro de solución final). El pH del amortiguador Tris cambia con la concentración y necesita reajustes si se usa un volumen inicial muy pequeño. También es conveniente preparar el buffer a la misma temperatura a la que será utilizado durante el ensayo o experimento, ya que el Tris posee una gran dependencia de cambios de temperatura en pH. 5Titula la solución acuosa de solución Tris con 1 M de ácido clorhídrico usando un medidor de pH. 6Lleva la solución a su volumen final usando agua destilada en un matraz aforado.
Presión osmótica La presión osmótica puede definirse como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de disolvente a través de una membrana semipermeable.1 La presión osmótica es una de las cuatro propiedades coligativas de las soluciones(dependen del número de partículas en disolución, sin importar su naturaleza). Se trata de una de las características principales a tener en cuenta en las relaciones de los líquidos que constituyen el medio interno de los seres vivos, ya que la membrana plasmáticar egula la entrada y salida de soluto al medio extracelular que la rodea, ejerciendo de barrera de control. Cuando dos soluciones se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable (membrana que deja pasar las moléculasde disolvente pero no las de los solutos), las moléculas de disolvente se difunden, pasando habitualmente desde la solución con menor concentración de solutos a la de mayor concentración. Este fenómeno recibe el nombre de ósmosis, palabra que deriva delgriego osmos, que significa "impulso".2 Al suceder la
ósmosis, se crea una diferencia de presión en ambos lados de la membrana semipermeable: la presión osmótica.
OSMOLARIDAD El término osmolaridad no forma parte del diccionario elaborado por la Real Academia
Española (RAE). Su uso, sin embargo, es habitual en diversos ámbitos de la medicina, la biología y la farmacéutica. Se conoce como osmolaridad a la medida que expresa el
nivel de concentración de los componentes de diversas disoluciones. El concepto deriva de la presión osmótica que cambia en las células del organismo cuando se introduce la disolución en cuestión. Existen diversos tipos de osmolaridad. Así, por ejemplo, está la llamada osmolaridad de la orina, que es la prueba que tiene como objetivo analizar la concentración de partículas que hay en la orina, concretamente por litros de solución. Por otro lado, nos encontramos con la osmolaridad plasmática o sanguínea. ¿Qué es? Un examen que tienen como fin conocer la concentración molar de las partículas que están activas osmóticamente hablando en lo que es un litro de plasma.
Ejemplos de osmolaridad La osmolaridad normal de los fluidos corporales por litro de solución, es similar a una solución al 0,9% de NaCl. Una solución o disolución de NaCl y nitrato 0,1 M daría 0,1 moles de Na + y 0,1 moles de Cl – por litro, siendo su osmolaridad 0,2. Si esa disolución se inyecta a un paciente sus células absorberían agua hasta que se alcanzase el equilibrio, provocando una variación en la presión sanguínea. Osmolaridad sanguínea (mOsm/L) = 2 Na + + k + Glucemia (mg/dL)/18 + BUN (mg/dl)/2,8
Conclusión A través de este trabajo, aprendimos que el agua es el compuesto más abundante en la naturaleza. Cada molécula está formada por un átomo de oxigeno y dos de hidrógeno, unidos por enlaces covalentes polares que forman entre sí un ángulo de 105º. El agua constituye un 70% de nuestro cuerpo. Además es insípida, incolora e inodora y es un recurso renovable en peligro por culpa de la actividad humana, ya que toda agua pura procede de la lluvia. La contaminación puntualmente es la que procede de fuentes localizadas y es controlada mediante plantas depuradoras. Pero ninguna medida de control será efectiva, sino va acompañada de disposiciones destinadas a reducir la cantidad de residuos y a reciclar todo lo que se pueda. Por esto es importante concientizar a la población para que cuide nuestro recurso, ya que existe desde tiempos prehistóricos y el hombre siempre se ha establecido
cerca de lugares de fácil abastecimiento de agua, porque esta es una necesidad básica para el desarrollo de la vida y hay que mantenerla incolora, insípida e inodora De lo contrario (si el agua estuviera contaminada y no presentara las características anteriormente mencionadas) provocaría enfermedades como diarrea aguda, lesiones en el hígado y en los riñones, etc. Y no solamente a los humanos, sino que también a los animales al ingerirla y a las planta al absorberla.
Bibliografía
Química General. Brown-Le May. Enciclopedia Microsoft Encarta 2002 Enciclopedia Visor Química General. Raymond Chang Bioquímica de devlin Bioquímica de harper
