Estructura de la molécula de agua y sus propiedades
Un día de invierno, Mateo mira el lago de un parque de Tacuarembó: arriba hay una capa de hielo, pero los peces siguen vivos abajo. ¿Por qué el hielo flota y por qué el agua no se congela de abajo hacia arriba? Para responder hay que mirar la molécula de agua y cómo se relacionan entre sí muchas moléculas.
La molécula de agua
El agua es una sustancia compuesta: cada molécula tiene 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno, así que su fórmula molecular es $\ce{H2O}$. Es compuesta porque está formada por átomos de dos elementos distintos unidos químicamente.
El oxígeno atrae los electrones del enlace con más fuerza que el hidrógeno (es más electronegativo). Los electrones compartidos quedan más cerca del oxígeno: el oxígeno queda con una carga parcial negativa ($\delta-$) y cada hidrógeno con una carga parcial positiva ($\delta+$).
Además, la molécula no es lineal: tiene forma angular (unos 104,5° entre los dos enlaces). Por eso las cargas parciales no se compensan y la molécula tiene un extremo negativo y otro positivo. Se dice que es polar.
Escribí la fórmula molecular del agua e indicá cuántos átomos de hidrógeno y cuántos de oxígeno forman una molécula. Luego indicá si el agua es una sustancia simple o…
Escribí la fórmula molecular del agua e indicá cuántos átomos de hidrógeno y cuántos de oxígeno forman una molécula. Luego indicá si el agua es una sustancia simple o compuesta y justificá en una frase.
La molécula de agua es polar. Explicá con tus palabras qué significa que una molécula sea polar y mencioná cuál de los dos elementos del agua atrae con más fuerza los…
La molécula de agua es polar. Explicá con tus palabras qué significa que una molécula sea polar y mencioná cuál de los dos elementos del agua atrae con más fuerza los electrones del enlace.
Puentes de hidrógeno
Como las moléculas de agua son polares, el extremo positivo (hidrógeno) de una atrae al extremo negativo (oxígeno) de otra. Esa atracción es el puente de hidrógeno. Es mucho más débil que un enlace dentro de la molécula, pero como cada molécula puede formar hasta cuatro, entre todas se sostienen con fuerza.
Los puentes de hidrógeno se forman cuando un hidrógeno unido a un átomo muy electronegativo (O, N, F) es atraído por un par de electrones de otra molécula.
Consecuencia: punto de ebullición alto
Para pasar de líquido a gas hay que separar las moléculas, y eso exige vencer los puentes de hidrógeno. Por eso el agua ($\ce{H2O}$) hierve a $100\,°\mathrm{C}$, mientras que $\ce{H2S}$, de mayor masa molecular pero sin puentes de hidrógeno apreciables, es un gas a temperatura ambiente.
Valentina compara el agua ($\ce{H2O}$) con el sulfuro de hidrógeno ($\ce{H2S}$), que tiene una masa molecular mayor. Observa que a temperatura ambiente el agua es…
Valentina compara el agua ($\ce{H2O}$) con el sulfuro de hidrógeno ($\ce{H2S}$), que tiene una masa molecular mayor. Observa que a temperatura ambiente el agua es líquida y el $\ce{H2S}$ es un gas. Explicá esta diferencia usando el concepto de puentes de hidrógeno.
Se comparan tres sustancias: agua ($\ce{H2O}$), metano ($\ce{CH4}$) y amoníaco ($\ce{NH3}$). Los puntos de ebullición aproximados son $100\,°\mathrm{C}$,…
Se comparan tres sustancias: agua ($\ce{H2O}$), metano ($\ce{CH4}$) y amoníaco ($\ce{NH3}$). Los puntos de ebullición aproximados son $100\,°\mathrm{C}$, $-162\,°\mathrm{C}$ y $-33\,°\mathrm{C}$, respectivamente. Argumentá el orden de estos valores considerando la polaridad de las moléculas y la capacidad de formar puentes de hidrógeno. Indicá además por qué el agua supera al amoníaco aunque ambos formen puentes de hidrógeno.
Tensión superficial
Una molécula del interior de una gota es atraída por todas las vecinas en todas direcciones. Una molécula de la superficie solo tiene vecinas hacia los costados y hacia abajo: es tirada hacia adentro. El resultado es que la superficie se comporta como una piel elástica que tiende a ser lo más chica posible.
La tensión superficial es la resistencia de la superficie de un líquido a ser deformada o rota, y se debe a las fuerzas de atracción entre sus moléculas. Por ella las gotas son casi esféricas (la esfera tiene la menor superficie para un volumen dado) y un insecto puede caminar sobre el agua de una laguna.
Una gota de agua se mantiene casi esférica sobre una hoja de un árbol en un parque de Montevideo. ¿Qué propiedad del agua explica este comportamiento? Nombrala y…
Una gota de agua se mantiene casi esférica sobre una hoja de un árbol en un parque de Montevideo. ¿Qué propiedad del agua explica este comportamiento? Nombrala y definila brevemente.
En la costa de Rocha, Sofía observa que un insecto camina sobre el agua de una laguna sin hundirse. Explicá este fenómeno a partir de las fuerzas entre las moléculas de…
En la costa de Rocha, Sofía observa que un insecto camina sobre el agua de una laguna sin hundirse. Explicá este fenómeno a partir de las fuerzas entre las moléculas de agua en la superficie y mencioná qué pasaría con la tensión superficial si se agregara detergente.
Densidad: por qué el hielo flota
Casi todas las sustancias son más densas en estado sólido que en líquido. El agua es una excepción famosa.
En el hielo, cada molécula forma cuatro puentes de hidrógeno en una red ordenada con huecos. Esa red mantiene a las moléculas algo más separadas que en el líquido. Cuando el hielo se funde, parte de la red se rompe, las moléculas se acercan y el volumen disminuye.
| Estado | Densidad aproximada |
|---|---|
| Hielo ($0\,°\mathrm{C}$) | $0{,}92\ \mathrm{g/cm^3}$ |
| Agua líquida ($0\,°\mathrm{C}$) | $0{,}9998\ \mathrm{g/cm^3}$ |
| Agua líquida ($4\,°\mathrm{C}$) | $1{,}0000\ \mathrm{g/cm^3}$ (máxima) |
Consecuencias:
-
El hielo es menos denso que el agua líquida y por eso flota.
-
Al congelarse, el agua aumenta su volumen (alrededor de un 9 %): la botella de Mateo en el congelador se deforma, y una botella de vidrio llena podría romperse.
-
El agua líquida alcanza su densidad máxima a $4\,°\mathrm{C}$.
El punto de fusión también se explica con los puentes de hidrógeno: para fundir el hielo a $0\,°\mathrm{C}$ hay que aportar energía que rompa parte de la red ordenada. Como los puentes son fuertes, el agua funde a una temperatura mucho más alta que sustancias de moléculas parecidas pero sin puentes.
Mateo deja una botella de plástico llena de agua en el congelador y, al rato, la botella está deformada. Relacioná lo que pasó con la disposición de las moléculas de…
Mateo deja una botella de plástico llena de agua en el congelador y, al rato, la botella está deformada. Relacioná lo que pasó con la disposición de las moléculas de agua en el hielo y explicá por qué el hielo flota en el agua líquida.
Un lago de Tacuarembó se enfría en invierno. Argumentá por qué la vida acuática puede sobrevivir en el fondo aunque la superficie se congele, relacionando la densidad…
Un lago de Tacuarembó se enfría en invierno. Argumentá por qué la vida acuática puede sobrevivir en el fondo aunque la superficie se congele, relacionando la densidad máxima del agua líquida a $4\,°\mathrm{C}$, la menor densidad del hielo y la estructura de puentes de hidrógeno. Luego proponé qué consecuencias tendría para ese ecosistema que el hielo fuera más denso que el agua líquida.
El agua como solvente
El agua disuelve muchas sustancias porque es polar. Cuando se pone sal de mesa ($\ce{NaCl}$) en agua, los extremos negativos (oxígeno) de las moléculas de agua rodean a los iones $\ce{Na+}$, y los extremos positivos (hidrógeno) rodean a los iones $\ce{Cl-}$. Los iones se separan de la red y quedan rodeados de agua: es la solvatación (en agua, también «hidratación»).
Regla práctica: semejante disuelve a semejante.
-
Sustancias polares o iónicas (sal, azúcar, alcohol) se disuelven bien en agua.
-
Sustancias no polares (aceite, nafta, parafina) no se disuelven: el agua se atrae más consigo misma que con ellas.
Resumen
Volvé al principio: el hielo del lago flota porque su red de puentes de hidrógeno es más abierta que el líquido, y esa capa aísla y protege al agua del fondo, que queda cerca de $4\,°\mathrm{C}$.