El Agua: Propiedades, Ciclo e Importancia para la Vida

Introducción

El agua es una sustancia vital que existe en la naturaleza en los tres estados físicos: sólido (hielo), líquido y vapor. Cubre aproximadamente ¾ partes de la corteza terrestre y está presente en las estrellas y en los seres vivos. El cuerpo humano, por ejemplo, contiene un 70% de agua.

Ciclo del Agua

El agua es primordial para la vida y sigue un ciclo continuo en la naturaleza:

1. El calor del sol evapora el agua de los ríos, mares y lagos, generando vapor de agua que aporta humedad a la atmósfera.
2. En las capas altas de la atmósfera, el vapor de agua se condensa por enfriamiento, formando pequeñas gotitas que dan origen a las nubes.
3. Si el enfriamiento continúa, las gotitas se unen formando gotas más grandes que caen en forma de lluvia.
4. Si el enfriamiento es más intenso y lento, el agua se solidifica formando nieve con estructura cristalina.
5. Si el enfriamiento es brusco, se forma granizo, que carece de estructura cristalina.
6. El rocío se produce por la condensación del vapor de agua sobre los objetos al ras de la tierra durante la noche o la madrugada. Si el enfriamiento es mayor, el rocío se solidifica formando escarcha.
7. El agua que regresa a la tierra en cualquiera de sus formas se distribuye en ríos, mares, lagos; penetra en el suelo (infiltración) y se evapora nuevamente, completando el ciclo.

Composición del Agua de Lluvia

El agua de lluvia es considerada limpia, pero no pura. Al caer, disuelve gases de la atmósfera como oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. También puede disolver sustancias calcáreas y orgánicas presentes en el aire y en el suelo. Incluso, se pueden encontrar nitratos y nitritos de amonio debido a la oxidación del nitrógeno atmosférico.

Efecto Geológico del Agua

El agua, tanto en forma de lluvia como de nieve o glaciares, tiene un efecto geológico importante. Produce erosión, que consiste en el desgaste y transporte de materiales de la superficie terrestre, tendiendo a nivelar los terrenos a lo largo del tiempo.

Aguas Subterráneas

Cuando el agua penetra en la corteza terrestre, se filtra hasta llegar a una capa impermeable. La primera capa impermeable se denomina capa freática y contiene agua con mayor cantidad de impurezas debido a los residuos orgánicos que arrastra. Si el agua continúa filtrándose a capas más profundas (segunda o tercera capa), se vuelve más pura, aunque puede disolver sustancias minerales, aumentando su contenido de sales.

Salinidad del Mar

Las aguas superficiales y subterráneas finalmente desembocan en el mar. La evaporación del agua del mar provoca un aumento en la concentración de sales. Esta salinidad se mantiene relativamente uniforme gracias a las corrientes marinas que la distribuyen. La concentración promedio de sales en el mar es de 3.5%, siendo el cloruro de sodio (NaCl) el componente principal (2.7%). También se encuentran otras sales como cloruro de potasio (KCl), sulfato de sodio (Na₂SO₄), sulfato de potasio (K₂SO₄), sulfato de magnesio (MgSO₄) y bicarbonato de sodio (NaHCO₃). Incluso se pueden encontrar trazas de oro (Au) en el agua de mar. Existen mares con mayor concentración salina, como el Mar Muerto, que alcanza un 23% de sales.

Influencia de la Vegetación en el Régimen de Lluvias

La vegetación, especialmente los bosques, juega un papel crucial en el régimen de lluvias de una región. Las zonas con abundante vegetación suelen tener un régimen de lluvias más constante. Se ha observado que la deforestación puede transformar zonas fértiles en desérticas. Esto se debe a varios factores:

• Las plantas absorben la radiación solar, especialmente en el espectro rojo, que es la zona más caliente. Esto reduce la temperatura del ambiente y favorece la condensación del vapor de agua, la formación de nubes y la precipitación.
• La vegetación también libera vapor de agua a la atmósfera a través de la transpiración, aumentando la humedad del aire.
• Las raíces de las plantas ayudan a retener el agua en el suelo, evitando la erosión y favoreciendo la infiltración.

Propiedades del Agua

Estructura Molecular

El agua es líquida a temperatura ambiente y presenta enlaces de hidrógeno entre sus moléculas. Su fórmula química es H₂O. Los líquidos que presentan enlaces de hidrógeno se denominan líquidos asociados. La estructura del hielo es tetraédrica, con los átomos de oxígeno en el centro y los átomos de hidrógeno unidos a ellos. La electronegatividad del oxígeno crea una distribución de carga desigual en la molécula, lo que da lugar a la formación de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua (O-H-O).

Densidad

El agua presenta una densidad máxima de 1 g/cm³ a 4°C. A 0°C, la densidad del hielo es de 0.99987 g/cm³, lo que explica por qué el hielo flota en el agua líquida. Esta propiedad es fundamental para la vida acuática en climas fríos, ya que permite que el hielo forme una capa superficial aislante que protege el agua líquida debajo. La menor densidad del hielo se debe a la estructura abierta que se forma por los enlaces de hidrógeno. Al fundirse el hielo, algunos enlaces de hidrógeno se rompen y la estructura se vuelve más compacta, aumentando la densidad. A temperaturas superiores a 4°C, la expansión térmica normal de los líquidos predomina sobre el efecto de la ruptura de los enlaces de hidrógeno, y la densidad disminuye con el aumento de la temperatura.

Compresibilidad

El agua es muy poco compresible, lo que significa que su volumen no se reduce significativamente al aumentar la presión. Esta propiedad es importante en aplicaciones industriales, como las prensas hidráulicas, donde se utiliza agua como fluido de trabajo. Entre 1 y 25 atmósferas de presión, un aumento de 1 atmósfera reduce el volumen del agua solo en 5 partes por cada 100,000.

Conductividad Térmica

El agua no es un buen conductor del calor en comparación con los metales, pero es mejor conductor que la mayoría de los líquidos, excepto el mercurio (Hg). El calor se propaga en el agua principalmente por convección, que implica el movimiento de las moléculas. Por eso, al calentar agua, es más eficiente hacerlo desde abajo.

Calor Específico

El agua tiene un calor específico elevado, que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1°C. El calor específico del agua es de 1 caloría/gramo°C, y se utiliza como referencia para definir la caloría. El alto calor específico del agua la convierte en un excelente regulador de temperatura. El agua de mar, por ejemplo, absorbe grandes cantidades de calor durante el día y lo libera lentamente durante la noche, manteniendo una temperatura relativamente constante. Esto contrasta con la tierra, que se calienta rápidamente durante el día y se enfría rápidamente durante la noche.

Temperaturas de Fusión y Ebullición

El agua tiene una temperatura de fusión de 0°C y una temperatura de ebullición de 100°C a presión atmosférica normal. Su calor de fusión es de 80 calorías/gramo, que es la cantidad de calor necesaria para fundir 1 gramo de hielo a 0°C. Su calor de vaporización es de 540 calorías/gramo, que es la cantidad de calor necesaria para vaporizar 1 gramo de agua a 100°C. Estos valores elevados son importantes en aplicaciones industriales, como el uso del vapor de agua como fuerza motriz en calderas y en sistemas de calefacción.

Disociación del Agua

El agua se puede descomponer en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂) mediante descargas eléctricas o por acción del calor. La disociación del agua es un proceso reversible que alcanza un equilibrio. A temperaturas elevadas, la disociación se vuelve más significativa. Por ejemplo:

• A 1124°C, se disocia un 0.0073% del agua.
• A 1984°C, se disocia un 0.77%.
• A 2369°C, se disocia un 4.3%.
• A 2488°C, se disocia un 8.6%.
• A 2656°C, se disocia un 11.1%.

La elevada constante dieléctrica del agua la convierte en un excelente disolvente para sustancias iónicas (electrolitos). Aunque el enlace O-H en el agua no es iónico, la molécula de agua es polar, lo que permite la autoionización del agua:

H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^–

Esta reacción indica que el agua puede actuar como ácido (donador de protones) y como base (aceptor de protones). El producto iónico del agua (Kw) y el pH son conceptos relacionados con la autoionización del agua.

Propiedades Químicas del Agua

Reacciones con Metales y No Metales

El agua reacciona con diversos elementos. Algunos metales, como el sodio (Na) y el potasio (K), reaccionan con el agua a temperatura ambiente, liberando hidrógeno gaseoso. Otros metales, como el magnesio (Mg) y el hierro (Fe), reaccionan con el agua a temperaturas elevadas. Algunos no metales, como el carbono (C), también reaccionan con el agua a altas temperaturas. Los halógenos, como el cloro (Cl₂), reaccionan con el agua produciendo ácido clorhídrico (HCl) y ácido hipocloroso (HClO):

Cl₂ + H₂O = HCl + HClO

El ácido hipocloroso se descompone posteriormente en ácido clorhídrico y oxígeno:

HClO = HCl + ½ O₂

Reacciones con Óxidos

Los óxidos metálicos reaccionan con el agua para formar hidróxidos, como el óxido de calcio (CaO) que reacciona con agua para formar hidróxido de calcio (Ca(OH)₂). Los óxidos no metálicos reaccionan con el agua para formar ácidos, como el trióxido de azufre (SO₃) que reacciona con agua para formar ácido sulfúrico (H₂SO₄).

Hidrólisis de Sales

Algunas sales se descomponen en presencia de agua, un proceso conocido como hidrólisis. Ejemplos de sales que sufren hidrólisis son el cloruro de estaño (II) (SnCl₂), el cloruro de bismuto (III) (BiCl₃), el sulfuro de aluminio (Al₂S₃) y el tricloruro de fósforo (PCl₃).

Agua Potable

El agua potable es esencial para la vida humana. Para ser considerada potable, el agua debe cumplir con ciertos requisitos:

1. Debe contener gases disueltos, como oxígeno.
2. Debe contener sales minerales en concentraciones adecuadas.
3. No debe contener microorganismos patógenos (bacterias, virus, parásitos) que puedan causar enfermedades.
4. No debe contener sustancias orgánicas en descomposición.
5. Debe formar espuma con el jabón y permitir la cocción de alimentos.

Tratamiento del Agua Potable

Las grandes ciudades requieren grandes cantidades de agua potable. El agua de ríos o pozos que se utiliza para consumo humano debe someterse a un proceso de potabilización para eliminar impurezas y microorganismos que puedan causar enfermedades como el cólera, la disentería y la fiebre tifoidea. El tratamiento del agua potable generalmente incluye etapas de filtración, desinfección (con cloro u otros agentes) y control de la calidad del agua.

Conclusión

El agua es una sustancia esencial para la vida en la Tierra. Su ciclo natural, sus propiedades físicas y químicas, y su importancia para la salud humana hacen del agua un recurso invaluable que debemos proteger y conservar.