Ejercicios: El agua: polaridad y puentes de hidrógeno

La molécula de agua, $H_2O$, tiene forma angular. La electronegatividad del oxígeno es 3,5 y la del hidrógeno es 2,1. Explique con sus palabras por qué se dice que la molécula de agua es polar e indique cuál átomo presenta la carga parcial negativa y cuáles las cargas parciales positivas.

Clasifique cada una de las siguientes moléculas como polar o no polar y justifique brevemente su respuesta con base en la geometría y en la diferencia de electronegatividad: $CO_2$ (lineal), $CH_4$ (tetraédrica), $NH_3$ (piramidal) y $HCl$.

Indique cuál es la fuerza intermolecular predominante (fuerzas de dispersión de London, dipolo-dipolo o puentes de hidrógeno) entre las moléculas de cada sustancia en estado líquido: $H_2O$, $CH_4$, $HCl$ y $NH_3$. Escriba una frase que justifique cada elección.

El sulfuro de hidrógeno, $H_2S$, tiene una masa molar mayor que la del agua, pero a temperatura ambiente es un gas. Su punto de ebullición es de aproximadamente $-60\ °C$, mientras que el del agua es de $100\ °C$. Explique esta diferencia usando el concepto de puentes de hidrógeno y la polaridad de ambas moléculas.

Fabiola mezcla en vasos separados con agua: sal de mesa, aceite de cocina, azúcar y etanol (alcohol etílico). Observa que la sal, el azúcar y el etanol se disuelven, pero el aceite forma una capa aparte sobre el agua. Explique estos resultados aplicando el principio «semejante disuelve semejante» e indique qué tipo de interacción con el agua ocurre en cada caso en que hay disolución.

El hielo tiene una densidad de aproximadamente $0{,}92\ g/mL$ y el agua líquida de aproximadamente $1{,}00\ g/mL$, por lo que el hielo flota. Explique este comportamiento con base en la disposición de las moléculas y los puentes de hidrógeno en el hielo. Luego indique por qué esto es importante para los peces y otros organismos que viven en un lago de zona fría durante el invierno.

El $CO_2$ y el $H_2O$ son moléculas triatómicas con enlaces polares, pero el $CO_2$ es no polar y el $H_2O$ es polar. Además, el $CCl_4$ es no polar, mientras que el $CHCl_3$ es polar. Argumente estas diferencias en términos de la geometría molecular y de la suma de los momentos dipolares de los enlaces. Después, prediga si cada una de las cuatro sustancias es soluble en agua y explique cuál fuerza intermolecular con el agua lo favorece o lo impide.

En el golfo de Nicoya, las temperaturas del agua cambian poco a lo largo del día, mientras que la arena de la playa se calienta mucho al mediodía. El calor específico del agua es de $4{,}18\ J/(g\cdot °C)$ y el de la arena seca es de aproximadamente $0{,}8\ J/(g\cdot °C)$.

1. a) Calcule la energía necesaria para elevar $10\ °C$ la temperatura de $250\ g$ de agua y de $250\ g$ de arena.

1. b) Relacione el alto calor específico del agua con los puentes de hidrógeno.

1. c) Explique por qué esta propiedad ayuda a regular el clima de las zonas costeras y la temperatura de los organismos acuáticos.