11.2: Propiedades del Agua

Figura\(\PageIndex{1}\): Un modelo de una molécula de agua, que muestra los enlaces entre el hidrógeno y el oxígeno.

Las propiedades físicas y químicas del agua son las que la hacen esencial para la vida y útil para la civilización. El agua es una molécula compuesta por un ion de oxígeno cargado negativamente (-2) y dos iones de hidrógeno cargados positivamente (+1), dándole la fórmula química H ² O, con fuertes enlaces covalentes entre el oxígeno y dos iones hidrógeno. La forma de la molécula de agua permite una distribución desigual de la carga, donde un lado es ligeramente positivo y un lado es ligeramente negativo. Debido a esta polaridad, las moléculas de agua forman enlaces de hidrógeno entre sí. Los enlaces de hidrógeno son enlaces intermoleculares electrostáticos que son más débiles que los enlaces iónicos y covalentes (ver discusión en el capítulo Minerales). El agua es anfótera, es decir, puede autoionizarse, descomponiéndose en un ion hidrógeno ácido (H _⁺) y un ion hidroxilo (OH ^—), químicamente una base. Debido a su polaridad y su capacidad de ser anfótera, el agua es un solvente universal, un químico que puede disolver una amplia gama de otros químicos.

Figura\(\PageIndex{1}\): La tensión superficial mantiene el clip sobre el agua.

Figura\(\PageIndex{1}\): Acción capilar por el agua en un tubo estrecho. A diferencia del agua, el mercurio no se eleva en el tubo.

Otros efectos secundarios de la polaridad del agua son la cohesión (al agua le gusta pegarse a sí misma) y la adhesión (al agua le gusta pegarse a otras cosas). El agua tiene la mayor cohesión de todos los líquidos no metálicos. La cohesión da tensión superficial al agua, permitiendo que los insectos planeadores del agua floten en la superficie del agua. La tensión superficial es lo que le da a las gotas de lluvia una forma esférica. La acción capilar ocurre cuando una combinación de fuerzas adhesivas y cohesivas hace que el agua se mueva hacia arriba por pasajes y tubos estrechos, elevándose más alto que el líquido circundante. La acción capilar ocurre cuando la adhesión del agua al tubo es mayor que las fuerzas cohesivas internas del agua. Las toallas de papel tienen pequeños poros que utilizan fuerzas capilares para limpiar los derrames de agua. Las plantas utilizan fuerzas capilares para bombear agua en sus tejidos.

El agua tiene una alta capacidad calorífica específica. El calor específico es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una sustancia. En comparación con muchas otras sustancias, el agua requiere una gran cantidad de calor para elevar su temperatura. El alto calor específico del agua le permite actuar como amortiguador de energía ante cambios extremos en la temperatura del aire. También permite que los océanos absorban el calor solar sin cambiar mucho la temperatura y distribuir ese calor sobre la Tierra por corrientes haciendo así que la Tierra sea habitable.

Figura\(\PageIndex{1}\): Curva de densidad del agua que muestra la mayor densidad a 3.98 grados Celcius. La densidad se muestra como kg/m ₃.

La curva de densidad del agua muestra que a medida que el agua se enfría, se vuelve más densa, al igual que la mayoría de las otras sustancias, pero su mayor densidad ocurre a unos 4 grados centígrados mientras que la mayoría de las otras sustancias continúan aumentando de densidad hasta que se congelan. Esta curva de densidad única significa que el agua es más densa justo por encima de su punto de congelación y se hunde. Así los océanos permanecen líquidos. Si el agua se comportara como otras sustancias, los océanos quedarían congelados.

Figura\(\PageIndex{1}\): Disposición molecular de moléculas de dióxido de hidrógeno (agua) en hielo.

Cuando el agua se congela, las moléculas se disponen en una estructura cristalina bien ordenada, creando un espaciamiento entre las moléculas que es mayor que si el agua está en forma líquida. La diferencia en el espaciamiento molecular hace que el hielo sea menos denso que el agua, lo que lo hace más flotante que el agua líquida, lo que hace que flote en el agua. Debido a su alta capacidad calorífica específica, el hielo que flota en la superficie de un lago aísla el agua líquida debajo y evita que se congele.

Debido a sus enlaces de hidrógeno, el agua también tiene un alto calor de vaporización. Se requiere una cantidad significativa de energía para evaporar el agua. A medida que el agua se evapora, la energía es absorbida por la ruptura de los enlaces de hidrógeno y el aire alrededor del agua que se evapora se enfría. Esta energía se almacena en el vapor de agua.