El agua se encuentra en nuestro planeta en los 3 estados físicos (sólido, líquido y gaseoso). En todos ellos, las moléculas son idénticas y las diferencias se deben al tipo de interacciones que existen entre ellas en cada caso. En el proceso de pasar de un estado a otro, se forman o se rompen enlaces intermoleculares (entre moléculas), mientras que los enlaces intramoleculares (dentro de la molécula) permanecen intactos, es decir se mantiene el mismo compuesto sin cambiar sus propiedades químicas, solamente cambia su estado físico.

En el esquema anterior se aprecia que para que el agua pase de hielo a agua líquida y posterioremente a vapor se requiere sumnistrarle energía térmica, mientras que el proceso inverso de vapor a agua líquida y a hielo, el agua debe entregar calor al medio.

1. Agua líquida: El agua líquida se comporta como el resto de los líquidos: tiene masa, ocupa un volumen determinado y se adapta al recipiente que la contiene. La estructura molecular del agua líquida es una red de puentes de hidrógeno, con moléculas que tienen cierta movilidad.


2. Agua sólida: En el agua sólida las moléculas se ordenan de tal modo que ocupan mayor espacio que si estuvieran en estado líquido, presentando una estructura cristalina abierta. Esta es una característica única del agua; todos los demás líquidos al solidificarse contraen su volumen, en cambio en el agua se expande el volumen.

3. Vapor de agua: En el estado gaseoso las moléculas de agua se separan totalmente unas de otras, con lo cual los puentes de hidrógeno se anulan totalmente.

La siguiente figura muestra la distribución de las moléculas de agua en cada uno de los 3 estados físicos de ella.

Las propiedades del agua dependen de la polaridad de la molécula de agua y la posibilidad de sus moléculas para formar puentes de hidrógeno.

1. Punto de fusión y ebullición: El agua tiene puntos de ebullición y de fusión más elevados que la mayoría de los líquidos. A nivel del mar, el punto de ebullición del agua es 100º C y el de fusión es 0º C.
Recordemos que el punto de ebullición (p.e) de un líquido es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido se iguala a la presión atmosférica que se ejerce sobre dicho líquido. La presión que actúa sobre un líquido influye significativamente sobre su punto de ebullición. El agua hierve (ebulle) a 100 ºC si está sometida a una presión de 1 atmósfera, sin embargo, si la presión disminuye hasta 0,06 atmósferas, la ebullición se produce a 0 ºC. Es por eso que en lugares cada vez más altos, donde la presión es cada vez menor, el agua puede ebullir a temperaturas menores a 100 ºC.
Los elevados puntos de ebullición y fusión del agua se deben a que la molécula es altamente polar y que sus estados líquido y sólido las moléculas de agua se asocian fuertemente mediante puentes de hidrógeno.

Si se calienta una masa de hielo, su temperatura aumenta gradualmente hasta que alcanza 0°C en que el hielo comienza a fundirse. Durante la fusión, la temperatura permanece constante (punto de fusión) porque el calor absorbido por la masa se emplea en vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua del hielo. Una vez que la masa se ha fundido totalmente, el calor absorbido aumenta la energía cinética de las moléculas de agua y la temperatura aumenta hasta llegar a 100°C, donde comienza la ebullición. Durante ésta la temperatura permanece constante (punto de ebullición) porque el calor se está empleando para superar las fuerzas de atracción entre las moléculas al estado líquido. Cuando las moléculas están en fase vapor, la temperatura aumenta de nuevo.

En la figura se puede observar, que la primera parte de la curva que es paralela al eje del tiempo y que corresponde a la coexistencia de hielo-agua a 0°C, es más pequeña que la correspondiente parte que corresponde al paso de agua-vapor.

2. Densidad: Es otra propiedad que permite identificar una sustancia. Para conocer su valor se debe tener la masa y el volumen. La densidad del agua a 4º C es 1g / mL.
Durante el proceso de enfriamiento del agua desde los 100 ºC, se produce una contracción de volumen (aumenta la densidad) hasta llegar a la temperatura de 3,98 ºC (casi 4 ºC) en que alcanza su máxima contracción (máxima densidad), ya que al continuar enfriando, vuelve a dilatar su volumen (disminuye su densidad) hasta que se solidifica. El paso de agua líquida al hielo (a 0 ºC) va acompañado de un aumento considerable de volumen, disminuyendo significativamente su densidad. Debido a lo anterior, el hielo flota en el agua y produce importantísimos fenómenos mecánicos de rotura y disgregación de las rocas.
Además, el agua tiene otra propiedad importante: puede mantenerse muchos grados bajo cero sin solidificarse. Al contrario de los que sucede en la mayoría de los líquidos (que no se dilatan al molificarse).

3. Tensión superficial: Las moléculas en la superficie de un líquido se comporta en forma diferente a las que se encuentran en su interior. Estas últimas interactúan con otras moléculas en todo su entorno, en cambio, las de la superficie del líquido sólo son afectadas por las moléculas que se encuentran debajo y a los lados. Esto produce una fuerza de atracción neta hacia el interior sobre las moléculas de la superficie, contrayendo la superficie y produciendo un efecto como si fuera una membrana elástica.

La tensión superficial es la energía requerida para expandir una superficie líquida y es más alta para los líquidos que poseen atracciones intermoleculares fuertes. La tensión superficial es alta debido a la polaridad de sus moléculas y al gran número de puentes de hidrógeno que aumentan la cohesión de las moléculas entre sí. Precisamente las gotas de agua son esféricas debido a su elevada tensión superficial. Por esta misma razón, el agua es capaz de mantener sobre ella pequeños objetos que tienen mayor densidad.

Pincha sobre el video donde se aprecia la tensión superficial del agua.

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4. El agua posee una alta capacidad calorífica: Cuando se calienta un material, aumenta su temperatura, pero la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura es diferente en cada sustancia: algunos materiales necesitan mucha energía térmica para elevar su temperatura y otros menos. Para medir esta propiedad en las sustancias se utiliza una magnitud llamada Capacidad Calorífica Específica y se define como el calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado Celsius. Cada sustancia tiene una capacidad calorífica diferente.
La capacidad calorífica del agua es muy alta lo que se debe a sus enlaces por puente de hidrógeno. Esta característica del agua se manifiesta en que es preciso transferir más energía térmica para fundir el hielo, calentar y vaporizar agua, que para hacer lo mismo con casi cualquier otra sustancia.

La cantidad de agua en la biosfera es constante y la hallamos en diferentes estados según el lugar o zona en que se encuentre.

¿Cómo circula el agua en la biosfera?

Gran porcentaje de las aguas está en permanente circulación, transfiriéndose de un lugar a otro. A través de la evaporación de las aguas superficiales de océanos, ríos o lagos, o por la transpiración de vegetales y animales, llegan a la atmósfera grandes masas de agua en estado gaseoso (vapor de agua), que luego se condensa formando las nubes. Desde ellas, el agua precipita como nieve, lluvia o granizo, incorporándose nuevamente a las cuencas acuosas e infiltrándose en los suelos continentales. Así, la distribución del agua en la naturaleza mantiene un constante equlibrio, ya que se recicla una y otra vez.

¿Qué cantidad de agua circula en la biosfera?

Son muchos miles de billones de metros cúbicos de agua los que están circulando entre la atmósfera, océanos, glaciares, aguas superficiales y aguas subterráneas.

El mayor intercambio de aguas se produce dentro del océano a través de la circulación marina. Se ha calculado que, desde las aguas superficiales a las profundas, circulan alrededor de 700 billones de metros cúbicos de agua. Desde las aguas oceánicas superficiales se evaporan 369 millones de metros cúbicos al año, aproximadamente.

A través del ciclo del agua, la cantidad de esta en la Tierra es siempre la misma; no hay posibilidad de recibir más agua de ninguna otra parte. Por lo tanto, es imprescindible no contaminarla y aplicar medidas de conservación.

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En el ámbito de la geología se conoce como meteorización al proceso de desintegración física y descomposición química de los materiales sólidos en la superficie de la Tierra por la acción de los agentes atmosféricos. Si se piensa en una roca, sería el proceso por el cual la roca se rompe en pequeños fragmentos, se disuelve, o se descompone formándose nuevos minerales. Algunas rocas, especialmente las arcillosas, tienen la tendencia a absorber agua aumentando significativamente su volumen.
Cuando la temperatura aumenta se produce la evaporación y la roca tiende a recuperar su volumen inicial generando una contracción. Este proceso genera tensiones y se produce la desintegración superficial de las rocas. En otros tipos de rocas el agua penetra en las grietas o huecos superficiales, al descender la temperatura del agua en las grietas se congela aumentando su volumen lo que provoca un aumento del tamaño de las grietas en la roca. Con el transcurso del tiempo este proceso termina por romper a la roca.
El agua erosiona la superficie de la Tierra

El fenómeno conocido como erosión consiste en la remoción de la capa superficial del suelo y de roca meteorizada por efecto de la acción del viento y la lluvia. Bajo condiciones naturales, la erosión es un proceso muy lento, pero como resultado de la explotación forestal, del exceso de pastoreo, de prácticas inapropiadas de cultivo, de la instalación de industrias y de la urbanización, el suelo vegetal apto para la agricultura se erosiona aceleradamente. Las avalanchas y los desprendimientos de tierra, roca y barro, que son ejemplos de erosión repentina y masiva, suelen ser muy peligrosas.
El agua juega un papel muy importante en el transporte del material erosionado. La lluvia, si cae con fuerza, puede arrastrar la capa superficial de rocas desintegradas y de suelo, produciendo erosión. Cuando un lugar recibe más agua, ya sea en forma de lluvia, nieve o hielo, de la que el terreno pueda absorber, el agua fluirá arrastrando el material suelto. En la costa, la erosión de acantilados rocosos y playas de arena es el resultado de la acción del mar, las olas y las corrientes marinas. En algunos lugares, la pérdida de terreno debido a la erosión costera representa un serio problema.

El planeta Tierra es el único que posee agua en estado líquido y es el único, que se sepa hasta el momento, donde se han podido desarrollar los seres vivos cuya existencia depende de este compuesto. De hecho, entre el 50 y 90% de la masa de los organismos vivos corresponde al agua.
Todas las reacciones químicas involucradas en los procesos biológicos se producen en el citoplasma de las células, que es un medio acuoso donde están disueltos carbohidratos, proteínas, sales y otras sustancias.
La sangre de los animales y la savia de las plantas contienen una gran cantidad de agua. Gracias a la gran capacidad de disolución que posee el agua, la sangre y la savia pueden transportar las sustancias alimenticias a las células de los animales y de las plantas.
Por otra parte, los organismos acuáticos como los peces, toman el oxígeno disuelto en el agua para su respiración. El agua también tiene influencia en el control de la temperatura del cuerpo debido a su elevado calor específico. La transpiración sobre la superficie del cuerpo se evapora absorbiendo calor, lo que provoca la disminución de la temperatura de la piel.

En su recorrido por los ríos desde la montaña, el agua disuelve las rocas calizas constituidas por carbonato de calcio CaCO3, el cual se encuentra abundantemente distribuido en la Tierra. Además, disuelve cloruros (Cl-), sulfatos (SO42-) y nitratos (NO3-) de calcio (Ca) y magnesio (Mg) por lo que adquiere un alto contenido de iones calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+)
La roca caliza es muy insoluble en agua, sin embargo, reacciona con el dióxido de carbono (CO2 proveniente del aire atmosférico) disuelto en el agua y se transforma en bicarbonato de calcio Ca(HCO3)2 que si es soluble en agua. La reacción que se produce es la siguiente:

Estas sales disueltas en el agua no constituyen un factor de peligro para la salud humana, pero presentan serios inconvenientes en los procesos de lavado doméstico e industrial ya que se combinan con el jabón formando sales insolubles que impiden la formación de espuma y lo que es más importante, disminuyen la disponibilidad del jabón, aspecto fundamental en los procesos de lavado. Son perjudiciales también, en instalaciones industriales que requieren el uso de calderas, ya que al calentar o hervir este tipo de agua se producen costras de carbonato de calcio CaCO3. Este fenómeno se observa comúnmente en ollas y teteras en nuestros hogares. Por efecto del calor, se invierte la reacción de disolución del CaCO3 para producir nuevamente el precipitado de CaCO3.

El contenido de estas sales, determina la “dureza” del agua. Si el contenido de bicarbonatos y sulfatos de calcio y magnesio en el agua es alto, se dice que el agua es dura y si el contenido es bajo o está libre de estos compuestos, se dice que el agua es blanda.

Existen dos tipos de dureza

Dureza temporal: Está determinada por el contenido de carbonatos de calcio y magnesio. Puede eliminarse por ebullición del agua y posterior separación de los precipitados por filtración. Se le conoce también como dureza de carbonatos.

Dureza permanente: Está determinada por el contenido de otras sales de calcio y/o magnesio y no se puede eliminar por ebullición. El agua que posee esta dureza puede ablandarse haciéndola pasar a través de un cilindro que contiene una resina capaz de absorber los iones metálicos que producen la dureza (Ca2+ y Mg2+) y liberar iones sodio (Na+). El método se denomina intercambio iónico y consiste en reemplazar los iones indeseables por iones sodio.
También se puede eliminar esta dureza, añadiendo carbonato de sodio Na2CO3 en una cantidad adecuada para precipitar los iones calcio como carbonato de calcio y luego separar este precipitado por filtración. La dureza permanente también se denomina dureza de no carbonatos o no carbónica.

En general el grado de dureza del agua corresponde a los mg/L de sales de calcio o de magnesio aunque se expresa como mg/L de carbonato de calcio. Así, el agua potable tiene, en promedio, una dureza de 250 mg/L de carbonatos de calcio y el límite máximo permisible es de 300 mg/L de dureza. El agua destinada al uso en calderas debe ser blanda.

Nitrógeno (N2): Es un gas que se presenta como molécula diatómica y es el componente más abundante del aire. Es poco reactivo (reacciona con dificultad con otras sustancias, forma óxidos solo a altas temperaturas), no es tóxico, es incoloro e insípido y diluye a los demás componentes del aire. A Lavoisier le parecía tan inerte que lo llamo "azoe" (azote en francés) que significa sin vida. Sin embargo, los compuestos del nitrógeno son componentes vitales de los alimentos, fertilizantes y explosivos. El nitrógeno también forma parte de muchas moléculas biológicas como las proteínas.
Como es un gas bastante inerte se usa en ambientes en que es peligrosa o indeseable la presencia de oxígeno. El nitrógeno tiene la propiedad de licuarse a una temperatura muy baja. En medicina se utiliza el nitrógeno líquido, a una temperatura cercna a -195ºC para congelar muestras biológicas. Sirve para concervar órganos durante períodos prolongados de tiempo con el fin de realizar transplantes. También se utiliza en las técnicas de reproducción asistida, para congelar óvolus, espermatozoides y embriones.

Ciclo de nitrógeno

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Oxígeno (O2): Es un componente fundamental del aire y forma el 20,9% de la atmósfera. Es un gas incoloro, inodoro e insípido. Aunque es relativamente no tóxico, el oxígeno puro puede ser tóxico si se inhala en grandes cantidades. El oxígeno atmosférico proviene de la fotosíntesis de las plantas verdes y del plancton marino y es necesario para la respiración de las plantas y animales. El oxígeno es el elemento más abundante en la corteza terrestre, mientras que en el Sol es el tercer elemento más abundante. La atmósfera de Marte contiene un 0,15% de oxígeno.

El oxígeno juega un papel fundamental en las reacciones de combustión. Una reacción de combustión es aquella en que elementos o compuestos (combustibles) reaccionan con oxígeno (comburente) formando los correspondientes óxidos (ExOy) con liberación de calor y luz. la respiración no es más que una combustión lenta, mientras que otra reacción de combustión importante en los animales es la que se produce con el azúcar pa la obtención de energía.

C6H12O6(ac) + 6O2(g) ====== 6CO2(g) + 6H2O(l) + Energía

El oxígeno es un gas muy reactivo y se conocen óxidos de la mayoría de los elementos. Forma parte de una gran variedad de compuestos fundamentales como el H2O y los silicatos (compuestos que contienen silicio, oxígeno y otros elementos) que constituyen las rocas de la Tierra.

Gases nobles: Se caracteriza por su propiedad de no reaccionar con otras sustancias. El argón, el neón, el helio, el kriptón, el xenón y el radón forman el grupo de elementos llamados gases nobles. Su abundancia en la Tierra es baja y son poco reactivos debido a su estructura electrónica. Por esta razón se utiliza el argón para llenar las ampolletas y evitar que el filamento de wolframio se oxide al calentarse.

El dióxido de carbono (CO2): Que junto con los gases nobles constituyen aproximadamente el 1% del aire, es un gas incoloro, inodoro y no tóxico. Cuando una atmósfera contiene uan alta concentración de CO2 puede tener efectos nocivos y provocar asfixia, pero esto ocurre solamente por la falta de oxígeno.

El dióxido de carbono se produce por la combustión en presencia de oxígeno, de cualquier tipo de carbón o de compuestos que contengan carbono.

C(s) + O2(g) ======= CO2(g)

Cuando hay baja concentración de oxígeno O2, se produce una mezcla de monóxido de carbono CO y CO2 (el monóxido de carbono CO es un gas muy tóxico y peligroso, pues sustituye al oxígeno y puede provocar la muerte por asfixia).

Muchos carbonatos desprenden CO2 cuando se descomponen al calentarlos a elevadas temperaturas y todos desprenden CO2 al hecerlos reaccionar con ácidos. El CO2 también se obtiene comomproducto de la fermentación dela zúcar y otros compuestos vegetales en la que se produce, además, etanol o alcohol etílico.

C6H12O6(ac) + fermento ====== 2C2H5OH(ac) + 2CO2(g)

y constituye un producto final en el metabolismo animal:

C6H12O6(ac) + 6O2(g) ======= 6CO2(g) + 6H2O + Energía

Ciclo del carbono

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Agua (H2O): Se encuentra formando parte del aire en sus tres estados físicos. Su papel es fundamental en la generación de los diversos fenómenos metereológicos y juega un papel importante en las características del clima. La concentración de agua en el aire presenta notables variaciones, entre el día y la noche, entre las estaciones del año y con la altura y posicición sobre la Tierra.

Las variaciones que puede experimentar el volumen (V) de una muestra de aire, por efecto de los cambios de presión (P) y temperatura (T), siguen el mismo patrón de comportamiento que todos los demás gases. Estos cambios se describen claramente a través de las Leyes de los Gases.

• Ley de Boyle:
  En el siglo XVII, Robert Boyle demostró que el volumen ocupado por una misma masa de gas, a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión que soporta. Es decir, si la presión de un gas aumenta, el volumen del gas disminuye en la misma proporción. Según la siguiente expresión:

P x V = constante
Por lo tanto, para las condiciones iniciales (1) y finales (2) de P y T se cumple que:

P1 x V1 = P2 x V2



Laboratorio de la Ley de Boyle

• Ley de Charles:
  El químico francés Jacques Alexandre Charles estableció que el volumen de una cierta masa de gas a presión constante, es directamente proporcional a la temperatura absoluta expresada en Kelvin. El valor de la constante, en la siguiente expresión, está determinado por la masa y la presión del gas dado.
  La proporcionalidad directa del volumen V con la temperatura T implica que:
  
  V1 / T1 = V2 / T2
  
  

  
  
  

  
  
  El aumento del volumen de los gases con un aumento de la temperatura nos explica la diferencia de la densidad del aire caliente y del frío. Al disminuir la temperatura disminuye el volumen del aire y, por lo tanto, aumenta su densidad. Esta es la razón de que el aire frío se sitúe en las partes inferiores de la atmósfera y el aire caliente en las superiores.

Laboratorio de la Ley de Charles

• Ley de Gay-Lussac:
  El químico francés J. Gay-Lussac logró establecer la relación entre la presión y el volumen de un gas, concluyendo lo siguiente:
  Si el volumen de un gas no cambia mientras calentamos, la presión del gas aumenta en la misma proporción en que se incrementa la temperatura. Esto significa que la presión que ejerce un gas es directamente proporcional a la temperartura, siempre que el volumen sed mantenga constante, de acuerdo a lo siguiente: P / T = constante (cuando el volumen no cambia).
  Por lo tanto, se cumple que:
  
  P1 / T1 = P2 / T2
  
  

  
  
  

  
  
  
  Hasta ahora hemos estudiado el comportamiento de los gases, manteniendo una de las variables constante: Sin embargo, los gases se expanden o contraen en la naturaleza poniendo en juego todas las variables descritas anteriormente. Por lo tanto, la realidad determina la necesidad de encontrar una ley que pueda relacionar la temperatura, la presión y el volumen: esta es la Ley General de los gases.

• Ley General de los gases:
  Establece que para una masa determinada de cualquier gas, se cumple que el producto de la presión por el volumen dividido por el valor de la temperatura es una constante:
  
  P x V / T = constante
  
  Por lo tanto, se cumple que:
  
  P1 x V1 / T1 = P2 x V2 / T2

El átomo en el tiempo

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Para escribir la configuración electrónica de un átomo es necesario:

1. Conocer el número de electrones del átomo (Z = p = e).


2. Ubicar los electrones en cada uno de los niveles de energía, comenzando desde el nivel más cercano al núcleo.


3. Respetar la capacidad máxima de cada subnivel (orbital s = 2e, p =6e, d = 10e y f = 14e).


4. Verificar que la suma de los superíndices sea igual al número de electrones del átomo.

Para completar las configuraciones electrónicas se utiliza un esquema de llenado de los orbitales atómicos llamada regla de la diagonal.

La configuración electrónica es la distribución de los electrones dentro del átomo según principios que la regulan.

1. Principio de construcción, constitución o de Aufbau:

Este principio establece que los electrones irán ocupando los niveles de más baja energía, en forma creciente, es decir, los electrones irán ocupando los niveles de energía más cercano al núcleo en adelante.

2. Principio de exclusión de Pauli: Este principio establece que no pueden haber 2 electrones con los cuatro números cuánticos iguales. Por tanto, en un orbital sólo caben dos electrones que compartirían tres números cuánticos y se diferenciarían en el número cuántico de spin (s).

Ejemplo: los números cuánticos del primer y segundo electrón son:

Primer electrón: n = 2, l = 0, m = 0 y s = +1/2

Segundo electrón: n = 2, l = 0, m = 0 y s = -1/2

3. Principio de Máxima multiplicidad. Regla de Hund: Este principio establece que para orbitales de igual energía, la distribución más estable de los electrones, es aquella que tenga mayor número de espines paralelos, es decir, electrones desapareados. Esto significa que los electrones se ubican uno en uno (con el mismo espin) en cada orbital y luego se completan con el segundo electrón con espin opuesto.