Estructura y Propiedades Físicas del Agua: Un Análisis Detallado

Enviado por Programa Chuletas y clasificado en Química

Escrito el en español con un tamaño de 5,97 KB

Estructura del Hielo y Agua Líquida

El agua (H2O) está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O), con una estructura triangular abierta. El átomo de oxígeno se encuentra en el vértice y está unido a los átomos de hidrógeno, los cuales no están unidos entre sí. El agua es líquida a temperatura ambiente debido a las fuertes interacciones entre sus moléculas.

La molécula de agua tiene una fuerte polaridad, lo que propicia la formación de enlaces por puente de hidrógeno entre el átomo de hidrógeno de una molécula de agua y el átomo de oxígeno de una molécula vecina. La formación de puentes de hidrógeno entre moléculas de agua se da en estado líquido, sólido y gaseoso.

En agua líquida a 0°C, cada molécula de agua está unida, en promedio, a 3,6 moléculas vecinas, con una distancia media entre átomos de oxígeno de 0,29 nm a 15°C. Existe poca diferencia en el número de enlaces de hidrógeno entre el agua líquida y sólida; sin embargo, la diferencia en su rigidez es notable porque los puentes de hidrógeno están fluctuando constantemente, formándose y rompiéndose de manera continua.

Propiedades Físicas del Agua No Asociadas a Cambios de Estado

Viscosidad

El movimiento irregular de las moléculas de un líquido, un gas y del agua hace que una parte de este se desplace fluyendo con respecto a otra. Las fuerzas de atracción entre moléculas se oponen al desplazamiento, generando una resistencia llamada viscosidad.

Su formulación matemática es la ley de Newton de la viscosidad: f = η(u/d)A, donde:

  • f es la fuerza tangencial necesaria para mantener una diferencia de velocidad u entre dos capas de líquido.
  • A es la sección de las capas de líquido.
  • d es la distancia que separa las capas de líquido que se mueven en el mismo sentido.
  • η es la viscosidad, que se expresa en poises (P), siendo 1 poise = 1 dina·s·cm-2.

La mayoría de los gases y líquidos se ajustan a esta ley para velocidades de flujo bajas, donde el fluido presenta un flujo laminar. Al aumentar la velocidad, la ecuación deja de ser válida y el régimen se vuelve turbulento.

El agua tiene una baja viscosidad, la cual disminuye al aumentar la temperatura, permitiendo el movimiento de partículas sólidas y organismos en su seno. La viscosidad aumenta al incrementarse la presión, al igual que en la mayoría de los líquidos.

Tensión Superficial

La tensión superficial es la energía necesaria por unidad de área para expandir la superficie de un líquido. El agua tiene una tensión superficial alta en comparación con otras sustancias debido a la cohesión interna que los enlaces de hidrógeno proporcionan a la estructura del líquido. Esto permite que muchos organismos habiten en la superficie del agua.

La presencia de sustancias disueltas en el agua puede modificar su tensión superficial. Alcoholes superiores, grasas y jabones disminuyen esta propiedad, denominándose sustancias superficialmente activas. Los jabones y detergentes reducen la tensión superficial y aumentan el poder humectante del agua, facilitando la eliminación de grasas y suciedad en general.

Densidad

La densidad es una propiedad afectada por la acción de los enlaces de hidrógeno presentes en el líquido. Presenta una evolución atípica al aumentar con la temperatura hasta un máximo de 3,98°C (densidad = 1 g/cm³), a partir del cual disminuye ligeramente con nuevos incrementos de temperatura.

En el hielo, los enlaces de hidrógeno mantienen a las moléculas de agua rígidamente, pero en una estructura abierta, lo que resulta en una baja densidad. Cuando el hielo se funde, solo se rompe una fracción de los enlaces de hidrógeno.

El calor de fusión del hielo es relativamente bajo, 6,01 kJ/mol. Al calentar el agua líquida por encima del punto de fusión, se rompen más enlaces de hidrógeno. Las moléculas se empaquetan más y la densidad del agua líquida sigue aumentando. El agua líquida alcanza su máxima densidad a 3,98°C; por encima de esta temperatura, el agua exhibe un comportamiento normal, disminuyendo su densidad al aumentar la temperatura.

Este comportamiento inusual del punto de congelación del agua explica por qué un lago de agua dulce se congela de arriba hacia abajo. Cuando la temperatura del agua desciende por debajo de 4°C, el agua se vuelve más densa, se hunde al fondo del lago y el agua más fría de la superficie se congela. El hielo de la superficie actúa como aislante, protegiendo al agua que se encuentra debajo de mayores pérdidas de calor, lo que permite la supervivencia de los peces en invierno en un lago congelado.

Compresibilidad

La compresibilidad es la capacidad de una sustancia para reducir su volumen ante un aumento de presión. Es la respuesta a la presión atmosférica que soporta. La compresibilidad del agua es baja, pero no nula, con un coeficiente de compresibilidad a temperatura y presión normales de 5 x 10-5 bares.

Este coeficiente es importante a escala práctica, ya que el nivel de los océanos y mares sería del orden de 40 metros menos si el agua tuviera una compresibilidad nula. Esto implicaría que muchas de las zonas más pobladas de la Tierra estarían actualmente sumergidas.

Conductividad Térmica

La conductividad térmica mide la capacidad de un cuerpo para conducir energía térmica. La conductividad térmica del agua aumenta ligeramente con la temperatura a presión constante, considerando el intervalo entre su punto de fusión y ebullición (0-100°C). Su valor a 20°C y 1 atmósfera de presión es de 5,87 x 10-3 W·cm-1·°C-1.

La conductividad térmica del hielo a 0°C es cuatro veces mayor que la del agua líquida a la misma temperatura, lo que indica una mayor capacidad de conducción del calor por parte del hielo.

Entradas relacionadas: