Propiedades del agua

Agua (H 2 O)
Nombre IUPAC Agua
Otros nombres Agua Óxido de hidrógeno Hidróxido de hidrógeno Hidrato Oxidane Ácido hydroxic Monóxido de dihidrógeno Ácido hidroxilo Óxido de dihidrógeno Ácido Hydrohydroxic μ -Oxido dihidrógeno Agua Luz
Identificadores
CAS	7732-18-5
Número RTECS	ZC0110000
Propiedades
Fórmula molecular	H 2 O o HOH
Masa molar	18,01524 g / mol
Apariencia	sólido de color blanco o casi incoloro, transparente, con un ligero toque de azul cristalino, sólido o líquido
Densidad	1.000 kg · m -3, líquido (4 ° C) 917 kg · m -3, sólido
Punto de fusion	0 ° C , 32 ° F (273.15 K )
Punto de ebullicion	100 ° C, 212 ° F (373.15 K)
Acidez (p K a)	15.74 ~ 35-36
Basicidad (p K b)	15.74
Viscosidad	0,001 Pa · s a 20 ° C
Estructura
Estructura cristalina	Hexagonal Ver hielo
Forma molecular	doblado
Momento bipolar	1.85 D
Peligros
Principal peligros	intoxicación por agua, ahogamiento (véase también Monóxido de dihidrógeno)
NFPA 704	0 0 1
Compuestos relacionados
Relacionados disolventes	acetona metanol
Compuestos relacionados	vapor de agua hielo agua pesada
Excepto cuando se indique lo contrario, los datos se den materiales en su condiciones normales (25 ° C, 100 kPa)
Exenciones y referencias

Agua ( H ₂ O , H OH ) es el más abundante molécula en la Tierra superficie 's, que compone de alrededor del 70% de la superficie de la Tierra como estado líquido y sólido, además de estar presente en la atmósfera en forma de vapor. Está dentro equilibrio dinámico entre el líquido y estados de vapor a temperatura y presión estándar. En temperatura ambiente, es casi incoloro con un toque de azul, insípido, y líquido inodoro. Muchas sustancias se disuelven en agua y se conocen comúnmente como lo universal solvente . Debido a esto, el agua en la naturaleza y en uso rara vez es pura, y puede tener algunas propiedades diferentes de las que en el laboratorio. Sin embargo, hay muchos compuestos que son esencialmente, si no completamente, insoluble en agua. El agua es la única sustancia común que se encuentra de forma natural en los tres comunes estados de la materia-para otras sustancias, ver propiedades químicas . El agua también representa el 75% del cuerpo humano.

Formas de agua

Ver el agua # Resumen de los tipos de agua

El agua puede tomar muchas formas. El estado sólido de agua se conoce comúnmente como el hielo (aunque existen muchas otras formas; ver agua sólido amorfo); el estado gaseoso es conocido como vapor de agua (o de vapor), y el líquido común fase se toma generalmente como simplemente agua. Por encima de un cierto temperatura crítica y la presión (647 K y 22.064 MPa), las moléculas de agua asume una condición supercrítica, en el que los clústers de líquidos como flotan dentro de una fase de vapor similar.

El agua pesada es agua en la que el hidrógeno es reemplazado por su pesado isótopo , deuterio. Es químicamente casi idéntica a la del agua normal. El agua pesada se utiliza en el industria nuclear para frenar los neutrones .

Física y química del agua

El agua es el sustancia química con la fórmula química H ₂ O : una molécula de agua tiene dos hidrógeno átomos covalentemente unido a un solo oxígeno átomo. El agua es un líquido insípido, inodoro en temperatura y presión ambiente, y parece incolora en pequeñas cantidades, aunque tiene su propia intrínseca tonalidad azul muy claro. El hielo también aparece incoloro, y vapor de agua es esencialmente invisible como un gas. El agua es principalmente un líquido en condiciones estándar, que no se predice a partir de su relación con otros hidruros de análogos de la familia de oxígeno en la tabla periódica , que son gases tales como sulfuro de hidrógeno. También los elementos circundantes de oxígeno en la tabla periódica , nitrógeno , flúor , fósforo , azufre y cloro , se combinan con hidrógeno para producir gases en condiciones estándar. La razón de que dihidruro de oxígeno (agua) forma un líquido es que es más electronegativo que todos estos elementos (excepto el flúor). El oxígeno atrae electrones mucho más fuertemente que el hidrógeno, lo que resulta en una carga positiva neta en los átomos de hidrógeno, y una carga neta negativa en el átomo de oxígeno. La presencia de una carga en cada uno de estos átomos da a cada molécula de agua una red momento bipolar. Atracción eléctrica entre las moléculas de agua debido a este dipolo tira de moléculas individuales más juntos, lo que hace más difícil separar las moléculas y por lo tanto elevar el punto de ebullición. Esta atracción es conocida como enlaces de hidrógeno. El agua puede ser descrito como un líquido polar que se disocia de manera desproporcionada en el ion hidronio _(H3O ⁺ _(aq)) y un asociado de hidróxido de litio (OH ^- _(aq)). El agua es en equilibrio dinámico entre el líquido , gas y sólido estados en temperatura y presión normales (0 ° C, 100,000 kPa), y es la única sustancia pura que se encuentra naturalmente en la Tierra para ser así.

Agua, hielo y vapor

Capacidad de calor y calores de vaporización y de fusión

El agua tiene la segunda más alta capacidad específica de calor de cualquier compuesto químico conocido, después de amoniaco , así como un alto calor de vaporización (40,65 kJ mol ^-1), ambos de los cuales son el resultado de la extensa enlaces de hidrógeno entre sus moléculas. Estas dos propiedades inusuales permiten que el agua de la Tierra moderar el clima tamponando grandes fluctuaciones en la temperatura.

La específica entalpía de fusión del agua es 333,55 kJ kg ^-1 a 0 ºC. De las sustancias comunes, sólo la de amoníaco es mayor. Esta propiedad confiere resistencia a la fusión sobre el hielo de los glaciares y hielo a la deriva. Antes de la llegada de la mecánica refrigeración, el hielo era de uso común para retardar la descomposición de los alimentos.

Densidad del agua y el hielo

La forma sólida de la mayoría de sustancias es más denso que el líquido de fase ; por lo tanto, un bloque de sustancia sólida pura se hundirá en una tina de sustancia líquida pura. Pero, por el contrario, a una cuadra de común hielo flotará en una tina de agua porque el agua sólida es menos denso que el agua líquida. Esta es una propiedad característica extremadamente importante de agua. En la temperatura ambiente, el agua líquida se vuelve más densa con la reducción de la temperatura, al igual que otras sustancias. Pero a 4 ° C (más precisamente 3.98), justo encima de la congelación, el agua alcanza su densidad máxima, y como el agua se enfría más hacia su punto de congelación, el agua líquida, bajo condiciones estándar, se expande a ser menos denso. La razón para esto es física relacionada con la estructura cristalina de corriente de hielo , conocido como hexagonal hielo Ih. Agua, plomo , uranio , neón y silicio son algunos de los pocos materiales que se expanden al congelarse; más contrato de otros materiales. No todas las formas de hielo son menos densos que el agua líquida sin embargo, HDA y VHDA por ejemplo son tanto más densa que la fase líquida el agua pura. Por lo tanto, la razón de que la forma común de hielo es menos denso que el agua es un poco no intuitivo y depende en gran medida de las propiedades inusuales inherentes a la enlace de hidrógeno.

En general, el agua se expande cuando se congela debido a su estructura molecular, en conjunto con el inusual la elasticidad del enlace de hidrógeno y lo particular más bajo de energía hexagonal cristal conformación que adopta bajo condiciones estándar. Es decir, cuando el agua se enfría, se trata de apilar en una configuración de red cristalina que se extiende la rotacional y componentes de vibración de la unión, por lo que el efecto es que cada molécula de agua es empujada más lejos de cada uno de sus moléculas vecinas. Esto reduce efectivamente el ρ densidad del agua cuando el hielo se forma bajo condiciones estándar.

Acciones de agua del estado líquido de mayor densidad con sólo unos pocos materiales como el galio , germanio , bismuto y antimonio .

La importancia de esta propiedad no se puede exagerar por su papel en la ecosistema de la Tierra. Por ejemplo, si el agua fuese más denso cuando se congela, lagos y océanos en un entorno polar eventualmente congelan (de arriba abajo). Esto sucedería porque el hielo congelado se asentaría en el lago y lechos de ríos, y el fenómeno del calentamiento necesario (ver más abajo) no podría ocurrir en verano, ya que la capa superficial cálida sería menos densa que la capa congelada sólida continuación. Es una característica importante de la naturaleza que esto no ocurre naturalmente en el ambiente.

Sin embargo, la inusual expansión de congelación del agua (en entornos naturales ordinarias en los sistemas biológicos relevantes), debido a la enlace de hidrógeno, a partir de 4 ° C por encima de la congelación hasta el punto de congelación ofrece una ventaja importante para la vida de agua dulce en invierno. El agua enfriada en la superficie aumenta en densidad y se hunde, formando convección corrientes que enfrían todo el cuerpo de agua, pero cuando la temperatura del agua del lago llega a 4 ° C, el agua en la superficie disminución en la densidad, ya que enfría aún más y se mantiene como una capa de superficie que eventualmente congela y forma de hielo. Desde convección hacia abajo del agua más fría es bloqueada por el cambio de densidad, cualquier gran masa de agua dulce congelada en invierno va a tener el agua más fría cerca de la superficie, lejos de la cauce o lecho del lago.

El agua se congela a 0 ° C (32 ° F, 273 K), sin embargo, puede ser superenfriada en un estado fluido hasta su cristal de la nucleación homogénea a casi 231 K (-42 ° C).

El agua se expande significativamente a medida que aumenta la temperatura. La densidad es 4% menor que la máxima medida que la temperatura se aproxima a ebullición.

Densidad del agua salada y hielo

La densidad del agua es dependiente del contenido de sal disuelta, así como la temperatura del agua. Hielo todavía flota en los océanos, de lo contrario se congelarían de abajo hacia arriba. Sin embargo, el contenido de sal de los océanos disminuye el punto de congelación en aproximadamente 2 ° C y reduce la temperatura de la máxima densidad del agua hasta el punto de congelación. Por eso, en el agua del océano, la convección hacia abajo del agua fría no está bloqueado por una expansión del agua a medida que se vuelve más frío cerca del punto de congelación. Agua fría de los océanos cerca del punto de congelación continúa hundiéndose. Por esta razón, cualquier criatura intentar sobrevivir en la parte inferior de dicha agua fría como el océano Ártico generalmente vive en agua que es de 4 ° C más fría que la temperatura en la parte inferior de congelado-over lagos de agua dulce y ríos en el invierno.

Como la superficie del agua salada comienza a congelarse (a -1,9 ° C para el normal salinidad del agua de mar , 3,5%) el hielo que se forma es esencialmente libre de sal con una densidad aproximadamente igual a la de hielo de agua dulce. Este hielo flota en la superficie y la sal que se "congela out" se suma a la la salinidad y la densidad del agua de mar justo debajo de él, en un proceso conocido como rechazo de salmuera. Esta agua salada más densa se hunde por convección y el agua de mar sustitución está sujeta al mismo proceso. Esto proporciona esencialmente de hielo de agua dulce a -1,9 ° C en la superficie. El aumento de la densidad del agua de mar por debajo de la formación de hielo provoca que se hunda hacia el fondo.

Miscibilidad y la condensación

El agua es miscible con muchos líquidos, por ejemplo etanol en todas las proporciones, formando un solo líquido homogéneo. Por otro lado, y más agua aceites son inmiscibles generalmente formando capas de acuerdo con aumento de la densidad de la parte superior.

La línea roja muestra la saturación

Como un gas, vapor de agua es completamente Miscible con aire. Por otro lado la presión máxima de vapor de agua que es termodinámicamente estable con el líquido (o sólido) a una temperatura dada es relativamente baja en comparación con la presión atmosférica total. Por ejemplo, si el vapor presión parcial es del 2% de la presión atmosférica y el aire se enfría desde 25 ° C, a partir de unos 22 ° C el agua comenzará a condensarse, la definición de la punto de rocío, y la creación de niebla o rocío. El proceso inverso representa la niebla quemar en la mañana. Si uno plantea la humedad a temperatura ambiente, por ejemplo mediante la ejecución de una ducha caliente o un baño, y la temperatura se mantiene igual, el vapor de pronto llega a la presión por el cambio de fase, y se condensa en forma de vapor. Un gas en este contexto se conoce como saturado o 100% de humedad relativa, cuando la presión de vapor de agua en el aire se encuentra en equilibrio con la presión de vapor debido a (líquido) de agua; agua (o hielo, si es lo suficientemente cool) dejarán de perder masa por evaporación cuando se expone al aire saturado. Debido a que la cantidad de vapor de agua en el aire es pequeña humedad, relativa, la relación de la presión parcial debido a que el vapor de agua a la presión parcial de vapor saturado, es mucho más útil. Presión de vapor de agua por encima de la humedad relativa del 100% se llama super-saturada y puede ocurrir si el aire se enfría rápidamente, por ejemplo por el aumento de repente en una corriente ascendente.

Presiones de vapor de agua

Compresibilidad

La compresibilidad del agua es una función de la presión y la temperatura. A 0 ° C en el límite de presión cero la capacidad de compresión es de 5,1 × 10 ^-5 bar ^-1. En el límite de presión cero la capacidad de compresión llega a un mínimo de 4,4 × 10 ^{-5 -1} bar alrededor de 45 ° C antes de aumentar de nuevo al aumentar la temperatura. A medida que la presión se incrementa las disminuciones de compresibilidad, siendo 3,9 × 10 ^-5 bar ^-1 a 0 ° C y 1000 bar. La módulo de volumen de agua es de 2,2 × 10 ⁹ Pa. La baja compresibilidad de los no-invernadero, y del agua en particular, los lleva a menudo se asume como incompresible. La baja compresibilidad del agua significa que incluso en los profundos océanos en 4000 m de profundidad, donde las presiones son 4 × 10 ⁷ Pa, sólo hay una disminución de 1,8% en volumen.

Punto Triple

La temperatura y presión a la que sólido, líquido, y el agua gaseosa coexisten en equilibrio se denomina punto triple del agua. Este punto se utiliza para definir las unidades de temperatura (el kelvin , la unidad SI de temperatura termodinámica y, de manera indirecta, el grado Celsius y hasta el grado Fahrenheit). Como consecuencia, la temperatura del punto triple del agua es un valor prescrito en lugar de una cantidad medida. El punto triple es a una temperatura de 273,16 K (0,01 ° C) por convención, y a una presión de 611,73 Pa. Esta presión es muy baja, alrededor de 1/166 de la presión barométrica a nivel del mar normal de 101.325 Pa. La presión en la superficie atmosférica en el planeta Marte es extraordinariamente cerca de la presión del punto triple, y la elevación cero o "nivel del mar" de Marte se define por la altura a la que la presión atmosférica corresponde al punto triple del agua.

agua diagrama de fase: el eje Y = Presión de Pascal (10 ^n), del eje X = Temperatura en grados Kelvin, S = Sólido, L = líquido, V = vapor, CP = Punto Crítico, TP = Punto triple del agua

Aunque comúnmente se denomina como "el punto triple del agua", la combinación estable de agua líquida, hielo I, y el vapor de agua no es sino uno de los varios puntos triples en la diagrama de fases del agua. Gustav Tammann en Göttingen produce datos sobre varios otros puntos triples en el siglo 20. Kamb y otros documentaron más puntos triples en la década de 1960.

Efecto Mpemba

La Efecto Mpemba es el sorprendente fenómeno por el cual el agua caliente puede, bajo ciertas condiciones, congelar más pronto que el agua fría, a pesar de que debe pasar la temperatura más baja en el camino a la congelación. Sin embargo, esto se puede explicar con evaporación, convección, sobreenfriamiento, y la efecto de aislante heladas.

Congelación de transición a temperatura ambiente

Hielo caliente es el nombre dado a otro fenómeno sorprendente en que el agua a temperatura ambiente puede convertirse en hielo que se mantiene a temperatura ambiente por la alineación de los dipolos de agua y cristalización en hielo cúbico polar a través de suministrar un campo eléctrico en el orden de 10 ⁶ voltios por metro. Este fenómeno fue más tarde descartó por no ser debido a la congelación inducida por tensión y atribuido a un artefacto.

El efecto de tales campos eléctricos se ha sugerido como una explicación de la formación de nubes. Las primeras formas de nubes de hielo de tiempo alrededor de una partícula de arcilla, se requiere una temperatura de -10 ° C, pero posterior congelación en torno a la misma partícula de arcilla requiere una temperatura de sólo -5 ° C, lo que sugiere algún tipo de cambio estructural.

Tensión superficial

Las gotas de agua son estables, debido a la alta tensión superficial del agua, 72,8 mN / m, el más alto de los líquidos no metálicos. Esto se puede ver cuando se ponen pequeñas cantidades de agua sobre una superficie tal como vidrio: el agua permanece unida en forma de gotas. Esta propiedad es importante para la vida. Por ejemplo, cuando el agua se lleva a través de xilema hasta los tallos en las plantas de los fuertes atracciones intermoleculares mantienen la columna de agua juntos. Propiedades de cohesión fuerte influencia columna de agua juntos y fuertes propiedades adhesivas se pegan el agua al xilema, y evitar la ruptura de tensión causados por tirón transpiración. Otros líquidos con baja tensión superficial tendrían una mayor tendencia a "rip", formando bolsas de aire o de vacío y haciendo que el transporte de agua xilema inoperante.

Propiedades eléctricas

El agua pura no contiene iones es una excelente aislante, sin embargo, ni siquiera agua "desalinizada", está completamente libre de iones. Sufre Agua auto-ionización a cualquier temperatura por encima del cero absoluto . Además, porque el agua es un buen disolvente tal, que casi siempre tiene algún soluto disuelto en ella, con mayor frecuencia una sal. Si el agua tiene incluso una pequeña cantidad de una impureza tal, entonces se puede conducir la electricidad fácilmente, como impurezas, tales como la sal se separan en libres iones en solución acuosa por el que una corriente eléctrica puede fluir.

El agua puede dividirse en sus elementos constituyentes, hidrógeno y oxígeno, haciendo pasar una corriente a través de él. Este proceso se llama electrólisis . Las moléculas de agua se disocian de forma natural en H ⁺ y OH ^- iones, que son arrastrados hacia el cátodo y ánodo, respectivamente. En el cátodo, dos iones H ⁺ captan electrones y forma H ₂ gas. En el ánodo, cuatro iones OH ^- se combinan y liberan O ₂ de gas, agua molecular, y cuatro electrones. Los gases producidos burbuja a la superficie, donde pueden ser recogidos. Se sabe que la resistividad eléctrica máxima teórica para el agua es de aproximadamente 182 kW · m² / m (o 18,2 MΩ · cm² / cm) a 25 ° C. Esta cifra concuerda bien con lo que normalmente se ve en ósmosis inversa, ultrafiltrado y desionizada sistemas de agua ultrapura utilizar, por ejemplo, en las plantas de fabricación de semiconductores. A nivel de contaminante sal o ácido incluso superior a la de 100 partes por trillón (ppt) en agua ultrapura comenzará a disminuir notablemente su nivel de resistividad por hasta varios metros-kilohm cuadrado por metro (un cambio de varios cientos nanosiemens por metro de conductancia).

Conductividad eléctrica

El agua pura tiene un bajo conductividad eléctrica, pero esto aumenta significativamente de solvatación de una pequeña cantidad de agua de material iónico tal como cloruro de hidrógeno. Así los riesgos de electrocución son mucho mayores en el agua con las impurezas habituales que no se encuentran en el agua pura. (Vale la pena señalar, sin embargo, que los riesgos de electrocución disminución cuando las impurezas aumentan hasta el punto donde el agua misma es mejor conductor que el cuerpo humano. Por ejemplo, los riesgos de electrocución en agua de mar son más bajos que en agua dulce , ya que el mar tiene un nivel mucho más alto de impurezas, particularmente la sal común, y la trayectoria de la corriente principal será buscar el mejor conductor. Esta es, sin embargo, no es infalible y riesgos sustanciales permanecer en el agua salada.) Cualquier propiedades eléctricas observables en el agua son a partir de los iones de sales minerales y dióxido de carbono disueltos en ella. El agua hace auto-ionizar donde dos moléculas de agua se convierten en uno de hidróxido de aniones y uno cationes hidronio, pero no lo suficiente como para llevar suficiente corriente eléctrica para hacer cualquier trabajo o daño para la mayoría de las operaciones. En el agua pura, equipo sensible puede detectar una ligera eléctrica conductividad de 0.055 mS / cm a 25 ° C. El agua también puede ser electrolizada en gases de oxígeno e hidrógeno, pero en ausencia de iones disueltos este es un proceso muy lento, como se lleva a cabo muy poca corriente. Mientras que los electrones son los principales portadores de carga en el agua (y metales), en el hielo (y algunos otros electrolitos), los protones son los portadores primarios (véase conductor de protones).

Naturaleza dipolar del agua

modelo de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua

Una característica importante del agua es su naturaleza polar. La molécula de agua forma un ángulo, con átomos de hidrógeno en las extremidades y el oxígeno en el vértice. Puesto que el oxígeno tiene una mayor electronegatividad que el hidrógeno, el lado de la molécula con el átomo de oxígeno tiene una carga negativa parcial. Una molécula con una diferencia de carga de este tipo se llama una dipolo. Las diferencias de carga provocan que las moléculas de agua se atraen entre sí (las áreas relativamente positivos siendo atraídos a las zonas relativamente negativos) ya otras moléculas polares. Esta atracción es conocida como enlaces de hidrógeno, y explica muchas de las propiedades del agua. Ciertas moléculas, tales como dióxido de carbono, también tienen una diferencia en electronegatividad entre los átomos, pero la diferencia es que la forma de dióxido de carbono es simétricamente alineado y por lo que las cargas opuestas se cancelan mutuamente. Este fenómeno de agua se puede ver si se mantiene una fuente eléctrica cerca de un delgado chorro de agua que cae verticalmente, haciendo que el flujo de doblar hacia la fuente eléctrica.

Aunque el enlace de hidrógeno es una atracción relativamente débil en comparación con los enlaces covalentes dentro de la propia molécula de agua, que es responsable de un número de propiedades físicas del agua. Una de estas propiedades es su relativamente alta de fusión y punto de ebullición temperaturas; más calor se requiere energía para romper los enlaces de hidrógeno entre las moléculas. El sulfuro de hidrógeno compuesto similar (H ₂ S), que tiene mucho más débil enlace de hidrógeno, es un gas a temperatura ambiente a pesar de que tiene el doble de la masa molecular del agua. La unión adicional entre las moléculas de agua también da agua líquida en gran capacidad de calor específico. Esta alta capacidad de calor hace que el agua un buen medio de almacenamiento de calor.

El enlace de hidrógeno también da regar su comportamiento inusual al congelar. Cuando se enfría a cerca del punto de congelación, la presencia de enlaces de hidrógeno significa que las moléculas, ya que se reordenan para minimizar su energía, forman la hexagonal estructura de cristal de hielo que es en realidad de densidad más baja: por lo tanto, la forma sólida, hielo, flotará en el agua. En otras palabras, el agua se expande cuando se congela, mientras que casi todos los demás materiales se contraen en la solidificación.

Una consecuencia interesante de la sólida que tiene una densidad menor que el líquido es que el hielo se derretirá si se aplica presión suficiente. Con el aumento de la presión de la temperatura del punto de fusión cae y cuando la temperatura del punto de fusión es inferior a la temperatura ambiente el hielo empieza a derretirse. Se requiere un aumento significativo de la presión para bajar la temperatura del punto de fusión -la presión ejercida por un patinador de hielo en el hielo sólo reduciría el punto de fusión en aproximadamente 0,09 ° C (0,16 ° F).

Polaridad electronegativo

El agua tiene una carga negativa parcial (σ-) cerca del átomo de oxígeno debido a los pares de electrones no compartidos, y las cargas positivas parciales (σ +) cerca de los átomos de hidrógeno. En el agua, esto sucede porque el átomo de oxígeno es más electronegativo que los átomos de hidrógeno - es decir, que tiene un "fuerte potencia de tracción "en la de la molécula electrones , acercándolos (junto con su carga negativa) y haciendo que el área alrededor del átomo de oxígeno más negativo que el área alrededor tanto del hidrógeno átomos.

Adhesión

Gotas de rocío adherirse a una telaraña

Palos de agua a sí mismo ( cohesión) porque es polar. El agua también tiene un alto propiedades de adherencia debido a su naturaleza polar. El extremadamente limpio / lisa de vidrio el agua puede formar una película delgada porque las fuerzas moleculares entre el vidrio y las moléculas de agua (fuerzas adhesivas) son más fuertes que las fuerzas de cohesión. En las células biológicas y orgánulos, el agua está en contacto con la membrana y proteínas superficies que están hidrófilo; es decir, superficies que tienen una fuerte atracción por el agua. Irving Langmuir observó una fuerza de repulsión fuerte entre las superficies hidrofílicas. Para deshidratar hidrofílicos superficies para eliminar las capas fuertemente arraigadas de agua de hidratación, requiere hacer un trabajo sustancial en contra de estas fuerzas, llamadas fuerzas de hidratación. Estas fuerzas son muy grandes, pero disminuyen rápidamente durante un nanómetro o menos. Su importancia en la biología ha sido ampliamente estudiado por V. Adrian Parsegian de la Instituto Nacional de Salud. Son particularmente importantes cuando las células se deshidratan por la exposición a ambientes secos o a la congelación extracelular.

Tensión superficial

Este margarita está bajo el nivel del agua, que ha subido suavemente y sin problemas. La tensión superficial impide que el agua sumergiendo la flor.

El agua tiene una alta tensión superficial causada por la fuerte cohesión entre las moléculas de agua. Esto se puede ver cuando se ponen pequeñas cantidades de agua sobre una superficie no-soluble, tal como polietileno; el agua permanece unida en forma de gotas. Igualmente significativo, el aire atrapado en los disturbios de la superficie forma burbujas, que a veces duran el tiempo suficiente para transferir moléculas de gas para el agua. Otro efecto de la tensión superficial es ondas capilares que son las ondas superficiales que se forman de todo el impacto de las gotas de agua sobre las superficies, y algunas veces se producen con corrientes subsuperficiales fuerte flujo a la superficie del agua. La elasticidad aparente causada por la tensión superficial impulsa las olas.

Acción capilar

La acción capilar se refiere al proceso del agua en movimiento hacia arriba de un tubo estrecho contra la fuerza de la gravedad . Se produce porque el agua se adhiere a los lados del tubo, y luego la tensión superficial tiende a enderezar la superficie haciendo que el aumento de la superficie, y más agua se tira a través de la cohesión. El proceso se repite mientras el agua fluye por el tubo hasta que haya suficiente agua que la gravedad contrarresta la fuerza adhesiva.

El agua como disolvente

Las altas concentraciones de disuelto cal hace que el agua de Havasu Falls gire turquesa.

El agua también es un buen disolvente debido a su polaridad. Las sustancias que se mezclan bien y se disuelven en agua (por ejemplo, sales ) se conocen como " "sustancias (amantes del agua), mientras que los que se mezcla bien con el agua (por ejemplo, hidrofílicos grasas y aceites ), que se conoce como " "(temiendo agua) las sustancias hidrófobas. La capacidad de una sustancia para disolverse en agua se determina por si o no la sustancia puede igualar o mejor la fuerte fuerzas atractivas que las moléculas de agua generan entre otras moléculas de agua. Si una sustancia tiene propiedades que no le permiten superar estas fuerzas intermoleculares fuertes, las moléculas son " empujado fuera "desde el agua, y no se disuelven. Contrariamente a las sustancias error común, agua e hidrófobos no" repeler ", y la hidratación de una superficie hidrófoba es energéticamente, pero no entrópicamente, favorable.

Cuando un compuesto iónico o polar entra en el agua, que está rodeado por moléculas de agua ( La hidratación). El tamaño relativamente pequeño de moléculas de agua normalmente permite que muchas moléculas de agua para rodear una molécula de soluto . Los extremos de dipolo parcialmente negativos del agua son atraídos a cargado positivamente componentes del soluto, y viceversa para los extremos de dipolo positivos.

En general, sustancias iónicas y polares, tales como ácidos , alcoholes , y sales son relativamente soluble en agua, y las sustancias no polares tales como grasas y aceites no lo son. Moléculas no polares permanecen juntos en el agua debido a que es energéticamente más favorable para las moléculas de agua a enlace de hidrógeno entre sí que para participar en interacciones de van der Waals con las moléculas no polares.

Un ejemplo de un soluto iónico es la sal de mesa ; el cloruro de sodio, NaCl, se separa en ⁺ Na cationes y Cl ^- aniones , estando cada uno rodeados por moléculas de agua. Los iones son luego transportados fácilmente fuera de su red cristalina en la solución. Un ejemplo de un soluto no iónico es el azúcar de mesa . Los dipolos de agua hacen que los enlaces de hidrógeno con las regiones polares de la molécula de azúcar (grupos OH) y permitir que sea llevada a la solución.

Naturaleza Anfótero de agua

Químicamente, el agua es anfótero - es decir, es capaz de actuar ya sea como un ácido o una base. En ocasiones, el ácido hydroxic término se utiliza cuando el agua actúa como un ácido en una reacción química. A un pH de 7 (neutro), la concentración de hidróxido de iones (OH ^-) es igual a la de la hidronio (H ₃ O ⁺⁾ o hidrógeno (H ⁺⁾ iones. Si el equilibrio se altera, la solución se vuelve ácida (mayor concentración de iones hidronio) o básica (mayor concentración de iones hidróxido).

El agua puede actuar como un ácido o una base en las reacciones. De acuerdo con la Sistema de Bronsted-Lowry, un ácido se define como una especie que dona un protón (H ⁺ un ion) en una reacción, y una base como uno que recibe un protón. Cuando se hace reaccionar con un ácido más fuerte, el agua actúa como una base; cuando se hace reaccionar con una base fuerte, actúa como un ácido. Por ejemplo, se recibe un ion H ⁺ a partir de HCl en el equilibrio:

HCl + _H2O ⇌ _H3O ⁺ + Cl ^-

Aquí el agua está actuando como una base, mediante la recepción de un ion H ^+.

En la reacción con amoniaco , NH _3, agua dona un H ⁺ de iones, y está actuando de este modo como un ácido:

NH ₃ + H ₂ O ⇌ NH ₄ ⁺ + OH ^-

La acidez en la naturaleza

En teoría, el agua pura tiene una pH de 7 a 298 K. En la práctica, el agua pura es muy difícil de producir. El agua que queda expuesto al aire durante mucho tiempo se disolverá rápidamente el dióxido de carbono , formando una solución diluida de ácido carbónico, con un pH de aproximadamente 5,7 limitante. Como gotas de las nubes se forman en la atmósfera y, como gotas de agua caen a través de las pequeñas cantidades de aire de CO ₂ son absorbidas y por lo tanto mayor cantidad de lluvia es ligeramente ácida. Si grandes cantidades de nitrógeno y de azufre óxidos están presentes en el aire, ellos también se disuelven en la nube y la lluvia cae produciendo más graves lluvia ácida problemas.

El enlace de hidrógeno en el agua

Una molécula de agua puede formar un máximo de cuatro enlaces de hidrógeno, ya que puede aceptar dos y donar dos hidrógenos. Otras moléculas como fluoruro de hidrógeno, amoníaco , metanol enlaces de hidrógeno forma, pero que no muestran un comportamiento anómalo de termodinámica , propiedades cinéticas o estructurales como las que se observan en el agua. La respuesta a la aparente diferencia entre el agua y otros líquidos de enlaces de hidrógeno radica en el hecho de que, aparte de agua ninguna de las moléculas de enlace de hidrógeno puede formar cuatro enlaces de hidrógeno, ya sea debido a una incapacidad para donar / aceptar hidrógenos o debido a efectos estéricos en los residuos voluminosos. En local de agua tetraédrica orden debido a los cuatro enlaces de hidrógeno da lugar a una estructura abierta y una red de compensación de 3 dimensiones, que existe en contraste con las estructuras estrechamente empaquetados de simples líquidos . Hay una gran similitud entre el agua y la sílice en su comportamiento anómalo, a pesar de que uno (agua) es un líquido que tiene una red de enlaces de hidrógeno mientras que el otro (sílice) tiene una red covalente con un punto de fusión muy alto. Una de las razones de que el agua es muy adecuado, y elegidos, por las formas de vida, es que se exhibe sus propiedades únicas sobre un régimen de temperatura que se adapte a diversa procesos biológicos, incluyendo hidratación.

Se cree que enlace de hidrógeno en el agua es en gran parte debido a las fuerzas electrostáticas y una cierta cantidad de covalencia. La naturaleza covalente parcial de enlace de hidrógeno predicho por Linus Pauling en la década de 1930 aún no se ha demostrado de forma inequívoca por los experimentos y cálculos teóricos.

Las propiedades cuánticas de agua molecular

Aunque la fórmula molecular del agua se considera generalmente que es un resultado estable en termodinámica molecular, el trabajo reciente comenzó en 1995 ha mostrado que en ciertas escalas, el agua puede actuar más como H _3/2 O de H ₂ O en el nivel cuántico. Este resultado podría tener ramificaciones significativas en el nivel de, por ejemplo, el enlace de hidrógeno en biológica , química y física de sistemas. El experimento muestra que cuando los neutrones y los electrones chocan con agua, se dispersan de una manera que indica que sólo se ven afectadas por una proporción de 1,5: 1 de hidrógeno a oxígeno respectivamente. Sin embargo, la escala de tiempo de esta respuesta sólo se ve en el nivel de attosegundos (10 ^-18 segundos), y así sólo es relevante en altamente resuelto cinética y sistemas dinámicos.

Agua Pesada y isotopólogos de agua

El hidrógeno tiene tres isótopos. El más común, lo que representa más de 99,98% de la de hidrógeno en agua, tiene 1 protón y 0 neutrones. Un segundo isótopo, deuterio (forma corta "D"), tiene 1 protón y 1 neutrón. El deuterio, D ₂ O , también se conoce como agua pesada y se utiliza en reactores nucleares como moderador de neutrones. La tercera isótopo, tritio, tiene 1 protón y 2 neutrones, y es radiactivo, con una vida media de 4.500 días. T ₂ O existe en la naturaleza sólo en pequeñas cantidades, que se produce principalmente a través de reacciones nucleares de rayos cósmicos impulsada en la atmósfera. D ₂ O es estable, pero se diferencia de H ₂ O en que es más densa - por lo tanto, "agua pesada" - y en que varias otras propiedades físicas son ligeramente diferentes de las del común, hidrógeno-1 que contiene "agua ligera". De agua con uno de deuterio átomo de HDO se produce naturalmente en el agua ordinaria en concentraciones muy bajas (~ 0,03%) y D ₂ O en cantidades mucho más bajas (0,000003%). El consumo de aislado puro D ₂ O puede afectar a procesos bioquímicos - ingestión de grandes cantidades daña los riñones y la función del sistema nervioso central. Sin embargo, grandes cantidades de agua pesada deben ser consumidos por cualquier toxicidad sea aparente, y cantidades más pequeñas pueden ser consumidos sin efectos nocivos en absoluto.

El oxígeno también tiene tres isótopos estables, con¹⁶O presente en el 99,76%,¹⁷S en 0,04% y¹⁸O en el 0,2% de las moléculas de agua.

Transparencia

La transparencia del agua es también una propiedad importante del líquido. Si el agua no fuera transparente, la luz del sol, esencial para las plantas acuáticas, no meta la mano en los mares y océanos.

Historia

Las propiedades del agua se han utilizado históricamente para definir diversas escalas de temperatura. Cabe destacar que el Kelvin , Celsius y Fahrenheit escalas estaban, o están, definidas por los puntos de congelación y ebullición del agua. Las escalas menos comunes de Delisle, Newton, Réaumur y Rømer se definieron de manera similar. La punto triple del agua es un punto de norma más utilizada en la actualidad.

La primera descomposición científica de agua en hidrógeno y oxígeno, por electrólisis , se llevó a cabo en 1800 por William Nicholson, un químico Inglés. En 1805, Joseph Louis Gay-Lussac y Alexander von Humboldt demostró que el agua se compone de dos partes de hidrógeno y uno de oxígeno parte (en volumen).

Gilbert Newton Lewis aisló la primera muestra de puraagua pesada en 1933.

Polywater era una hipotética forma polimerizada de agua que ha sido objeto de mucha controversia científica a finales del 1960. El consenso actual es que no existe.

Nomenclatura sistemática

La aceptaciónnombre IUPAC del agua es simplemente "agua", aunque hay otros dos nombres sistemáticos que pueden ser utilizados para describir la molécula.

El nombre más simple y mejor sistemática de agua es óxido de hidrógeno . Esto es análogo a los compuestos relacionados tales como peróxido de hidrógeno , sulfuro de hidrógeno, y óxido de deuterio (agua pesada). Otro nombre sistemático, Oxidane , está aceptado por la IUPAC como nombre de los padres para la nomenclatura sistemática de la base de oxígeno grupos sustituyentes, aunque incluso éstos suelen tener otros nombres recomendados. Por ejemplo, el nombre se recomienda hidroxilo sobre oxidanyl para el grupo -OH. El nombre oxano se menciona explícitamente por la IUPAC como inadecuado para este propósito, puesto que ya es el nombre de un éter cíclico también conocido como tetrahidropirano en el sistema de Hantzsch-Widman ; compuestos similares incluyen dioxano y trioxano.

Nomenclatura sistemática y humor

Monóxido de dihidrógeno o DHMO es un nombre covalente sistemática excesivamente pedante de agua. Este término se ha utilizado en parodias de la investigación química que llamar para esta "química letal" para ser prohibido. En realidad, un nombre sistemático más realista sería óxido de hidrógeno , ya que el "di-" y "MON" prefijos son superfluas. El sulfuro de hidrógeno, H ₂ S, no se conoce como "monosulfuro de dihidrógeno", y peróxido de hidrógeno , H ₂ O ₂ , no se llama "El dióxido de dihidrógeno".

Algunos exceso de celohojas de datos de seguridad de la lista de agua lo siguiente: Precaución: Puede causar ahogamiento!

Otros nombres sistemáticos para agua incluyen ácido hydroxic o ácido hidroxílico . Del mismo modo, el nombre alcalino sistemática de agua es hidróxido de hidrógeno -tanto existen nombres de ácidos y alcalinos para el agua, ya que es capaz de reaccionar tanto como un ácido o un álcali, dependiendo de la fuerza del ácido o álcali que se hace reaccionar con ( anfótero) . Ninguno de estos nombres se utilizan ampliamente fuera de los sitios de DHMO.