Agua

El agua en la naturaleza se encuentra en sus tres estados: líquido fundamentalmente en los océanos, sólido (hielo en los glaciares, icebergs y casquetes polares), así como nieve (en las zonas frías) y vapor (invisible) en el aire.
El ciclo hidrológico: el agua circula constantemente por el planeta en un ciclo continuo de evaporación, transpiración, precipitaciones y desplazamiento hacia el mar.
El agua es un elemento esencial para mantener nuestras vidas. El acceso al agua potable reduce la expansión de numerosas enfermedades infecciosas. Necesidades vitales humanas, como el abastecimiento de alimentos, dependen de ella. Los recursos energéticos y las actividades industriales que necesitamos también dependen del agua.[1]

El agua (Speaker Icon.svg escuchar) (del latín aqua) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O).[2]​ Es una sustancia bastante común en la tierra y el sistema solar, donde se encuentra principalmente en forma de vapor o de hielo. Es esencial e imprescindible para el origen y la supervivencia de la gran mayoría de todas las formas conocidas de vida.

El agua recubre el 71 % de la superficie de la corteza terrestre.[5]

Se estima que aproximadamente el 70 % del agua dulce se destina a la agricultura.[7]

Propiedades físicas y químicas

La geometría de la molécula de agua es la responsable de una buena parte de sus propiedades, por su elevada constante dieléctrica y actuar como dipolo.
Copo de nieve visto a través de un microscopio. Está coloreado artificialmente.

El agua es una sustancia que químicamente se formula como H2O, es decir, que una molécula de agua se compone de dos átomos de hidrógeno enlazados covalentemente a un átomo de oxígeno.

Fue Henry Cavendish quien descubrió en 1782 que el agua es una sustancia compuesta y no un elemento, como se pensaba desde la antigüedad.[11]

Actualmente se sigue investigando sobre la naturaleza de este compuesto y sus propiedades, a veces traspasando los límites de la ciencia convencional.[12]

Estados

Diagrama de fases del agua
Animación de cómo el hielo pasa a estado líquido en un vaso. Los 50 minutos transcurridos se concentran en 4 segundos.

El agua es un líquido en el rango de temperaturas y presiones más adecuado para las formas de vida conocidas: A la presión de 1 atm), el agua es líquida entre las temperaturas de 273,15 K (0 °C) y 373,15 K (100 °C). Los valores para el calor latente de fusión y de vaporización son de 0,334 kJ/g y 2,23 kJ/g respectivamente.[13]

Al aumentar la presión, disminuye ligeramente el punto de fusión, que es de aproximadamente -5 °C a 600 atm y -22 °C a 2100 atm. Este efecto es el causante de la formación de los lagos subglaciales de la Antártida y contribuye al movimiento de los glaciares.[15]​ A presiones superiores a 2100 atm el punto de fusión vuelve a aumentar rápidamente y el hielo presenta configuraciones exóticas que no existen a presiones más bajas.

Las diferencias de presión tienen un efecto más dramático en el punto de ebullición, que es aproximadamente 374 °C a 220 atm, mientras que en la cima del Monte Everest, donde la presión atmosférica es de alrededor de 0,34 atm, el agua hierve a unos 70 °C. El aumento del punto de ebullición con la presión se puede presenciar en las fuentes hidrotermales de aguas profundas, y tiene aplicaciones prácticas, como las ollas a presión y motores de vapor.[13]

A presiones por debajo de 0,006 atm, el agua no puede existir en el estado líquido y pasa directamente del sólido al gas por sublimación, fenómeno explotado en la liofilización de alimentos y compuestos.[17]​ A presiones por encima de 221 atm, los estados de líquido y de gas ya no son distinguibles, un estado llamado agua supercrítica. En este estado, el agua se utiliza para catalizar ciertas reacciones y tratar residuos orgánicos.

La densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión. A la presión de una atmósfera, la densidad mínima del agua líquida es de 0,958 kg/l, a los 100 °C. Al bajar la temperatura, aumenta la densidad constantemente hasta llegar a los 3,8 °C donde alcanza una densidad máxima de 1 kg/l. A temperaturas más bajas, a diferencia de otras sustancias, la densidad disminuye.[18]​ A los 0 °C, el valor es de 0,9999 kg/l; al congelarse, la densidad experimenta un descenso más brusco hasta 0,917 kg/l, acompañado por un incremento del 9 % en volumen, lo que explica el hecho de que el hielo flote sobre el agua líquida.

Sabor, olor y aspecto

El agua pura se ha descrito tradicionalmente como incolora, inodora e insípida, aunque el agua para el consumo normalmente contiene minerales y sustancias orgánicas en disolución que le pueden aportar sabores y olores más o menos detectables según la concentración de los compuestos y la temperatura del agua.[19]

El agua puede tener un aspecto turbio si contiene partículas en suspensión.[22]

Propiedades moleculares

Cada molécula de agua se compone de dos átomos de hidrógeno unidos por enlaces covalentes a un átomo de oxígeno. A su vez las distintas moléculas de agua se unen por unos enlaces por puentes de hidrógeno. Estos enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas del agua son responsables de la dilatación térmica del agua al solidificarse, es decir, de su aumento de volumen al congelarse.
El impacto de una gota sobre la superficie del agua provoca unas ondas características, llamadas ondas capilares.
Acción capilar del agua y el mercurio, que produce la variación en la altura de las columnas de cada líquido y forma diferentes meniscos en el contacto con las paredes del recipiente.
Estas gotas se forman por la elevada tensión superficial del agua.

La molécula de agua adopta una geometría no lineal, con los dos átomos de hidrógeno formando un ángulo de 104,45 grados entre sí. Esta configuración, junto con la mayor electronegatividad del átomo de oxígeno le confieren polaridad a la molécula, cuyo momento dipolar eléctrico es de 6,2x10-30 C m.[23]

La polaridad de la molécula de agua da lugar a fuerzas de Van der Waals y la formación de hasta cuatro enlaces de hidrógeno con moléculas circundantes.[18]

Los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua también son responsables de los elevados puntos de fusión y ebullición comparados con los de otros compuestos de anfígeno e hidrógeno, como el sulfuro de hidrógeno. Asimismo, explican los altos valores de la capacidad calorífica —4.2 J/g/K, valor solo superado por el amoníaco—, el calor latente y la conductividad térmica —entre 0,561 y 0,679 W/m/K—. Estas propiedades le dan al agua un papel importante en la regulación del clima de la Tierra, mediante el almacenamiento del calor y su transporte entre la atmósfera y los océanos.[28]

Otra consecuencia de la polaridad del agua es que, en estado líquido, es un disolvente muy potente de muchos tipos de sustancias distintas. Las sustancias que se mezclan y se disuelven bien en agua —como las sales, azúcares, ácidos, álcalis y algunos gases (como el oxígeno o el dióxido de carbono, mediante carbonación)— son llamadas hidrófilas, mientras que las que no combinan bien con el agua —como lípidos y grasas— se denominan sustancias hidrófobas. Igualmente, el agua es miscible con muchos líquidos, como el etanol, y en cualquier proporción, formando un líquido homogéneo. Puede formar azeótropos con otros disolventes, como el etanol o el tolueno.[29]​ Por otra parte, los aceites son inmiscibles con el agua, y forman capas de variable densidad sobre su superficie. Como cualquier gas, el vapor de agua es miscible completamente con el aire.

Propiedades eléctricas y magnéticas

El agua tiene una constante dieléctrica relativamente elevada (78,5 a 298 K) y las moléculas de sustancias con carga eléctrica se disocian fácilmente en ella.[31]

El agua puede disociarse espontáneamente en iones hidronios H3O+ e hidróxidos OH-. La constante de disociación Kw es muy baja —10-14 a 25 °C—, lo que implica que una molécula de agua se disocia aproximadamente cada diez horas.[32]​ El pH del agua pura es 7, porque los iones hidronios e hidróxidos se encuentran en la misma concentración. Debido a los bajos niveles de estos iones, el pH del agua varía bruscamente si se disuelven en ella ácidos o bases.

Es posible separar el agua líquida en sus dos componentes hidrógeno y oxígeno haciendo pasar por ella una corriente eléctrica, mediante electrólisis. La energía requerida para separar el agua en sus dos componentes mediante este proceso es superior a la energía desprendida por la recombinación de hidrógeno y oxígeno.[33]

El agua líquida pura es un material diamagnético y es repelida por campos magnéticos muy intensos.[34]

Propiedades mecánicas

El agua líquida puede considerarse a efectos prácticos como incompresible, efecto que es aprovechado en las prensas hidráulicas;[37]

La viscosidad del agua es de unos 10−3 Pa·s o 0,01 poise a 20 °C, y la velocidad del sonido en agua líquida varía entre los 1400 y 1540 m/s, dependiendo de la temperatura. El sonido se trasmite en el agua casi sin atenuación, sobre todo a frecuencias bajas; esta propiedad permite la comunicación submarina a largas distancias entre los cetáceos y es la base de la técnica del sonar para detectar objetos bajo el agua.[38]

Reacciones químicas

El agua es el producto final de reacciones de combustión, ya sea del hidrógeno o de un compuesto que contenga hidrógeno. El agua también se forma en reacciones de neutralización entre ácidos y bases.[39]

El agua reacciona con muchos óxidos metálicos y no metálicos para formar hidróxidos y oxácidos respectivamente. También forma hidróxidos al reaccionar directamente con los elementos con mayor electropositividad, como los metales alcalinos y alcalinotérreos, que desplazan el hidrógeno del agua en una reacción que, en el caso de los alcalinos más pesados, puede llegar a ser explosiva debido al contacto del hidrógeno liberado con el oxígeno del aire.[40]

A causa de su capacidad de autoinozación, el agua puede hidrolizar otras moléculas.[41]​ Las reacciones de hidrólisis pueden producirse tanto con compuestos orgánicos como inorgánicos. Son muy importantes en el metabolismo de los seres vivos, que sintetizan numerosas enzimas denominadas hidrolasas con la función de catalizar la hidrólisis de diferentes moléculas.