3.5: El agua como solvente universal

Como se indicó en secciones anteriores, la molécula de agua polar permite que las moléculas de agua formen enlaces entre sí. Estos enlaces se conocen como enlaces de hidrógeno. Si consideramos el cloruro de sodio (sal), un compuesto que contiene enlaces iónicos, podríamos demostrar que simplemente colocando sal de mesa en agua, por ejemplo, podemos reducir la atracción electrostática entre los iones sodio y cloruro en 80 veces. A medida que más y más iones de sodio y cloro son liberados por el debilitamiento de la atracción electrostática que los mantiene unidos, quedan rodeados por las moléculas polares del agua, lo que se denomina “hidratación”.

Figura 1: Cristal de sal disuelto por agua, iones individuales hidratados.

Crédito: Una revisión del universo - Estructuras, evoluciones, observaciones y teorías (el enlace es externo)

El agua disuelve más sustancias que cualquier otro líquido común al romper las “sales” en “iones” componentes (por ejemplo, NaCl en Na ⁺ y Cl ^-) e hidrata esos iones para evitar que interactúen. Así, las moléculas polares de agua tienen una atracción por iones (átomos o grupos de átomos con carga), donde los “cationes” son iones con carga positiva y los “aniones” tienen carga negativa. La mayoría de los elementos tienen altas solubilidades en el agua, lo que significa que grandes concentraciones de esos elementos pueden acumularse antes de que se supere la capacidad de las moléculas de agua para aislar los iones. El punto en el que Na y Cl, por ejemplo, comenzarían a precipitar una sal en el agua de mar se denomina “saturación”. Para el NaCl (el mineral “halita”) esto solo ocurre del agua de mar actual cuando se produce la evaporación y el volumen de agua de mar se reduce a aproximadamente 10% de su volumen original.

El agua de mar es esencialmente una solución de NaCl que promedia una concentración de 35 g de NaCl/kg de agua (o 3.5% de sal). El Na y el Cl componen más del 85% del total de sólidos disueltos (sal), pero hay otros iones importantes presentes. La abundancia relativa de iones en el agua de mar se ubica en orden: Cl, Na, SO ₄, Mg, Ca, K. Juntos, estos iones constituyen > 99% de los sólidos disueltos en agua de mar. Con solo otros cuatro elementos—HCO ₃ (bicarbonato), Br, Sr, B, F— tenemos 99.99% de todos los sólidos disueltos. Los cargos deben balancearse, por lo que la carga positiva asociada con Na ⁺, Mg ^{2+, Ca 2+}, K ⁺ es igual a la carga negativa asociada con Cl ^-, SO ₄ ^{2 -} (y HCO ₃ ^-). No creemos que lo querrías de otra manera. Piensa en cuál sería el flujo de la corriente desde el mar hacia ti, sentado en la playa, si los cargos no estuvieran equilibrados, ¡impactante!

La salinidad varía en un rango de aproximadamente 32 a 37 o/oo en el océano abierto como ilustra la Figura 2 (abajo). Obsérvese que las áreas de mayor salinidad ocurren en regiones de mayor evaporación neta, como cabría esperar.

Figura 2: Salinidad media en la superficie oceánica 1990-94 (modelo POP).

Todas las demás sustancias disueltas en el agua de mar se encuentran en concentraciones muy bajas (parte por millón o mil millones) (ppm o ppb; 10 ^-6 a 10 ^-9). Esto Incluye importantes nutrientes como el fosfato y el nitrato que son ciclados por organismos (elementos llamados “bio-limitantes”) y esenciales para la vida. Muchos metales tienen concentraciones traza (¿quiere hacerse rico? Hay alrededor de 9 millones de toneladas de oro disueltas en el agua de mar, que es aproximadamente igual a todo el oro extraído en la tierra a lo largo de la historia).

Como se indicó anteriormente, la evaporación del agua de mar produce una secuencia predecible de sales minerales (los minerales se saturan en cierto punto). Después de la evaporación de unos pocos% de la masa de agua CaCo ₃ (calcita) precipita; después de la evaporación de 81%, el CaSO ₄ (yeso) se precipita completamente; después de la evaporación de aproximadamente 90.5%, el NaCl (halita) se precipita completamente; al 96% de evaporación, las sales de K y Mg (w/ SO ₄ y Cl) caen. Hay suficiente sal en el océano para cubrir tierra con una capa de 170 m de espesor. Los depósitos naturales de océanos antiguos como este se llaman “evaporitas”.