1. QUÍMICA MENCIÓN
QM-40
AGUA
2013

2. INTRODUCCIÓN
La importancia del agua es enorme, es fundamental para la vida, es indispensable para mantener
la higiene, y con ella la salud; se utiliza en la industria como medio de enfriamiento y de
generación de vapor; en el campo es esencial para los cultivos; en las ciudades se emplea
también para el riego, el drenaje de desperdicios, el control de incendios y el llenado de lagos,
canales y represas.
El agua es en muchos aspectos una sustancia única, es el disolvente más frecuente, es líquido a
temperatura ambiente (en un intervalo de temperatura amplio). No es inflamable ni tóxica y, lo
que es más importante, disuelve una gran cantidad de sustancias.
Para poder obtener un conocimiento fundamental de las propiedades del agua, es necesario estar
familiarizado con su estructura.
Propiedades estructurales:
 La molécula de agua tiene geometría angular
 El ángulo de enlace H-O-H tiene un valor de 104,45º y los enlaces son de tipo covalente
polar.
 Dado que el átomo oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno se generan polos
positivos y negativos en su estructura (la molécula presenta un dipolo). Muchos de los
hechos que se detallan más tarde son una consecuencia de esta polaridad.
 Las moléculas de agua son polares, razón por la cual es un excelente disolvente de múltiples
sustancias polares.
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3. INTERACCIONES INTERMOLECULARES
Debido a que todas las moléculas de agua presentan un dipolo, los átomos de hidrógeno se
encuentran enlazados al oxígeno más próximo mediante una interacción covalente (enlace). Sin
embargo, en estado líquido y sólido (moléculas más próximas), el átomo de hidrógeno se
encuentra atraído débilmente al átomo de oxígeno de otra molécula mediante un tipo de atracción
conocido como enlace de hidrógeno (puente de hidrógeno).
Este enlace se puede describir como el resultado de la atracción electrostática entre un átomo de
hidrógeno con carga parcial positiva en la molécula y un átomo oxígeno con carga parcial negativa
de otra.
Los enlaces de hidrógeno, que mantienen unidas entre sí a las moléculas de agua en el hielo, son
considerablemente más fuertes que las fuerzas de Van Der Waals que existen entre las moléculas
de la mayor parte de los estados líquidos y sólidos, pero son mucho más débiles que la mayoría
de los enlaces covalentes.
La estructura del hielo permite la existencia de un número máximo de enlaces de hidrógeno (uno
por cada átomo). La estructura resultante es poco usual ya que contiene una considerable
cantidad de espacio vacío. Si la estructura espacial en el hielo fuese compacta y los átomos de
oxígeno e hidrógenos ocupasen los espacios existentes, la densidad sería por lo menos de 1,9
g/cc, en vez de 0,917 g/cc que es el valor promedio calculado.
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4. PROPIEDADES MACROSCÓPICAS
Las propiedades de la materia (visibles, medibles y observables) relacionadas con las alteraciones
en su estructura, o bien, los fenómenos que competen a un cambio es su estructura íntima,
(reacciones de descomposición, electrólisis, ácido-base, entre otras), guardan relación en gran
medida con la masa de materia sometida a análisis.
El agua es un compuesto con una masa molar pequeña, contrariamente sus propiedades físicas y
químicas presentan magnitudes elevadas y bastante particulares. La densidad anómala en estado
sólido, la gran capacidad calorífica y la elevada tensión superficial son algunos ejemplos.
Previo al análisis conviene agrupar las distintas propiedades de acuerdo con su naturaleza y
características:
Propiedades extensivas de la materia
Una propiedad extensiva es aquella que depende de la cantidad de material que se examine
(volumen y masa por ejemplo).
Propiedades intensivas de la materia
Una propiedad es intensiva cuando NO depende de la cantidad de material examinado (color,
punto de fusión, densidad, etc.)
Analicemos algunas propiedades relevantes observables en el agua:
ELEVADA FUERZA DE COHESIÓN
La gran fuerza de cohesión entre las moléculas de agua, se justifica por la gran tendencia a unirse
con otras moléculas vecinas (interacciones puente de hidrógeno), lo que la convierte en un líquido
prácticamente incompresible, capaz de conferir volumen y turgencia a muchos seres vivos uni o
pluricelulares y con un punto de ebullición anormalmente alto (comparado con otras
moléculas de similar masa molar).
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5. ELEVADA TENSIÓN SUPERFICIAL
Otra de las propiedades fisicoquímicas particulares en el agua es su tensión superficial. Como se
sabe, las moléculas de la superficie en una fase líquida o sólida (interfase) poseen menos
moléculas que aquellas ubicadas en su interior. Este hecho permite que la distancia de separación
molécula-molécula sea ligeramente mayor en la interfase, lo que les confiere un exceso de
energía (tensión en la superficie).
La tensión superficial representa la energía necesaria para aumentar el área de la interfase en una
unidad. Se expresa, por tanto, en unidades de energía por cada unidad de área: J/m 2.
El agua presenta una tensión superficial comparativamente mayor que la de otros líquidos de
similar masa molar, en parte debido a la existencia de los puentes de hidrógeno. Un ejemplo, es
cuando de compara con el etanol, un alcohol orgánico que si bien tiene mayor masa molar,
también presenta interacciones puente de hidrógeno. A 25ºC, el valor para la tensión superficial
en el agua es de 72 mJ/m2, mientras que para el etanol a la misma temperatura es de 21 mJ/m 2.
La presencia de solutos en disolución acuosa modifica el valor para la tensión superficial. Las
sustancias hidrófilas en disolución incrementan su valor, en cambio, la disolución de sustancias
hidrófobas lo disminuyen.
Esta elevada tensión superficial hace que el agua a temperatura ambiente sea líquida y
no gas.
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6. CAPILARIDAD
Es la propiedad que tienen los líquidos que dependen de su tensión superficial, que le otorga la
capacidad de subir o bajar por un tubo capilar de un radio determinado. Esto hace que el agua del
subsuelo, en caso de terrenos húmedos ascienda por pequeños poros, lo que hace que se vean las
típicas manchas de humedad en paredes y en el caso de arbustos y árboles el agua llegue a las
hojas de mayor altura.
DENSIDAD DEL AGUA
La presencia de enlaces puente de hidrógeno también incide en los valores de densidad que el
agua evidencia. En fase líquida su densidad es mayor que en fase sólida. Además presenta un
comportamiento anómalo en el sentido de que este valor se modifica con la temperatura,
aumentando conforme se enfría hasta un valor máximo (1,000 g/mL) a 3,98ºC. Bajo este valor de
temperatura la densidad disminuye.
Cuando el agua solidifica y forma hielo, su valor de densidad disminuye. A 0ºC toma un valor de
0,917 g/mL. Este comportamiento es muy raro y se asocia al incremento de volumen que se
produce como consecuencia del aumento del número de puentes de hidrógeno.
Cuando el hielo funde, solo se destruye alrededor de un 12% del número de enlaces puente de
hidrógeno, por lo que el líquido conserva, a 0 ºC, la mayor parte de su estructura sólida. La
ruptura de enlaces de hidrógeno permite que algunas moléculas de agua puedan situarse a mayor
proximidad unas de otras. Esta es la razón por la que la densidad del agua es ligeramente mayor
que la del hielo y permite que éste flote sobre el líquido.
Conforme aumenta la temperatura, la densidad del agua se modifica por dos motivos. Por un
lado, el aumento de la temperatura (entre 0ºC y 4ºC) facilita la disminución del número de
enlaces de hidrógeno aumentando el valor para su densidad. Sin embargo, el incremento de
temperatura, representa una mayor energía cinética molecular, vale decir, mayor velocidad en los
movimientos moleculares, produce un efecto de expansión, aumentando el volumen y
produciéndose el consiguiente descenso en la densidad. De estos dos factores, el primero
predomina entre 0º y 4ºC, mientras que el segundo ocurre sobre los 4ºC resultando de ambos
que la densidad del agua tiene un valor máximo a 3.98ºC.
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7. Densidad
(g/cm3)
Densidad
máxima
0,9
ºC
Densidad
máxima
3,98 ºC
1
0,8
0 ºC Temperatura (ºC) 4 ºC
ELEVADO CALOR ESPECÍFICO (cal/ºC·g)
Para poder evaporar agua líquida se necesita una gran cantidad de calor. Lo curioso es que el
agua es un compuesto con una masa molar pequeña, sin embargo se necesita 1 caloría para
elevar en tan sólo 1 grado centígrado la temperatura de 1 gramo de agua. Con este calor, se
rompen los enlaces puente de hidrógeno que mantienen cohesionadas a las moléculas en estado
líquido y luego, parte de ese calor, permite que las moléculas ganen energía suficiente para pasar
al estado gaseoso.
El alto valor para el calor específico la convierte es un buen amortiguador térmico que mantiene
prácticamente constante la temperatura interna de los seres vivos a pesar de las variaciones
externas.
ALTO CALOR DE VAPORIZACIÓN
La cantidad de calor necesaria para evaporar (paso al estado vapor) 1 gramo de agua es de
alrededor de 540 calorías. Un valor excesivo tratándose de un compuesto con una masa molar
extraordinariamente pequeña. El elevado calor de vaporización permite, por ejemplo, disipar
grandes cantidades de calor corporal evaporando pequeñas cantidades de agua en el sudor.
ELEVADA CONSTANTE DIELÉCTRICA (e)
El agua presenta uno de los valores de constante dieléctrica más altos (comparada con otros
líquidos). La constante dieléctrica, o permitividad eléctrica relativa de un medio, representa la
cantidad de veces que la fuerza de acción recíproca (atracción o repulsión) entre dos cargas
eléctricas en dicho medio es menor que en el vacío, en otras palabras, la constante dieléctrica
da cuenta de la capacidad del medio disolvente para “anular” las cargas y por tanto
permitir la disolución de sustancias. Este elevado valor de e convierte al agua en un excelente
disolvente de especies iónicas y polares (por solvatación o hidratación).
Debido a su alto momento dipolar, las moléculas de agua orientan sus dipolos alrededor de las
cargas iónicas y de las moléculas polares, rebajando la fuerza con la que interaccionan entre sí y
dando lugar a especies hidratadas en disolución. Esta propiedad permite que las sales
cristalizadas y otros compuestos iónicos se disocien en sus respectivos iones (cationes y aniones),
los que son atraídos (y “anulados”) con fuerza por los dipolos del agua.
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8. Además, debido a su polaridad, el agua disuelve con facilidad otros compuestos no iónicos, pero
que presentan grupos funcionales polares (como alcoholes, aldehídos y cetonas) al establecerse
enlaces de hidrógeno entre ellos. El agua también dispersa, formando micelas con muchos
compuestos anfipáticos (que poseen simultáneamente grupos polares y no polares).
Todo ello la convierte en la sustancia disolvente por excelencia. Esta capacidad es responsable de
dos importantes funciones del agua en los seres vivos:
a)
Es el vehículo de transporte que permite la circulación de sustancias en el interior de los
organismos y en su intercambio con el exterior.
b)
Es el medio donde ocurren todas las reacciones bioquímicas, ya que la mayor parte de las
biomoléculas se encuentra disuelta en ella y necesita un medio acuoso para interaccionar.
ALGUNAS PROPIEDADES QUÍMICAS
La casi totalidad de las reacciones asociadas con la vida animal y vegetal necesitan agua para
ocurrir; hasta la putrefacción de la materia orgánica requiere la presencia de humedad, por esta
razón las frutas y las carnes secas, tardan mucho más en descomponerse y la desecación de los
alimentos constituye el método más económico e importante para conservarlos.
Algunas reacciones del agua:
1600ºC
Pt
Descomposición:
2 H2O
Electrólisis:
2 H2O
Reacción con metales alcalinos:
K + H2O
Reacción con óxidos básicos:
Na2O + H2O
Reacción con óxidos ácidos:
SO3 + H2O
H+
Electricidad
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2 H2(g) + O2(g)
2 H2(g) + O2(g)
2 KOH + H2(g)
2 NaOH
H2SO4

9. EL CICLO DEL AGUA
Sólo 1/4000 de la masa del planeta es agua, de acá, tres cuartas partes de la superficie terrestre
están cubiertas por agua (aproximadamente un 98% es agua salada).
CICLO
La lluvia cae sobre la Tierra en grandes cantidades, sin embargo, la mayor parte del agua de
lluvia cae sobre el mar o en regiones inaccesibles, poco menos de un 2% del agua de la Tierra se
encuentra congelada en los casquetes polares, lo que deja menos del 1% disponible como agua
dulce. El agua se evapora constantemente de las superficies, tanto acuáticas como terrestres.
Este vapor de agua se condensa en nubes y regresa a la Tierra en forma de lluvia, aguanieve y
nieve. Esta agua dulce forma parte de los casquetes polares, fluye en forma de arroyos y ríos,
llenando los lagos y depósitos subterráneos. El reciclaje del agua renueva nuestro suministro de
agua dulce. El agua de lluvia acarrea partículas de polvo de la atmósfera al suelo, y también
disuelve un poco de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono mientras cae a través del aire.
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10. LAS AGUAS DURAS
El agua que contiene un exceso de sales de calcio, magnesio o hierro se denomina agua dura.
Cuando los iones metálicos (Ca+2 y Mg+2) reaccionan con los aniones del jabón forman una
sustancia insoluble, impidiendo la acción limpiadora del jabón, por lo tanto, este tipo de agua no
debe ser usada para cocinar alimentos, ni industrialmente porque forma costras en las calderas.
Es necesario remover las sales de calcio y magnesio para poder ser utilizadas, ya sea doméstica o
industrialmente, mediante un proceso denominado ablandamiento y que consiste en precipitar
esas sales o utilizar resinas denominadas de intercambio iónico, que retienen los iones Ca +2, Mg+2,
Fe+3 y los cambian por otros cationes que no causan problemas.
La dureza del agua puede ser:
temporal (debido a iones bicarbonato HCO 3-), que se elimina con hacer hervir el agua,
provocando la precipitación de la dureza en forma del conocido “sarro”.
permanente (debido a iones sulfatos SO42-), que se precipitan con “ablandadores”.
Algunas de las reacciones que permiten eliminar la dureza permanente del agua se presentan a
continuación:
Con carbonato de sodio o sosa
CaSO4 + Na2CO3
CaCO3 + Na2SO4
Con fosfato trisódico (Na3PO4)
PO4-3 + H2O
HPO4-2 + OH-
3 Mg+2 + 2 PO4-3
Mg3(PO4)2
Intercambio de iones, tratamiento con zeolita (Silicato doble de sodio y aluminio)
NaAlSi2O6 + Ca+2
10
Ca(AlSi2O6)2

11. LAS AGUAS NEGRAS
Los microorganismos patógenos presentes en el agua son un problema que tiene su origen en la
materia orgánica presente en el agua. La descomposición bacteriana de esta materia orgánica
agota el oxígeno disuelto en el agua y las transforma en aguas negras. Una vez que se agota
todo el oxígeno presente en un efluente de agua, predominan los procesos anaerobios de
descomposición, generándose gases como NH 3, H2S y CH4.
Cuando un efluente con materia orgánica sufre descomposición, los productos de desecho
gaseosos causan problemas de salubridad y muerte de ese ecosistema. Una medida de la cantidad
de oxígeno necesaria para esta degradación es la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Cuanto
mayor es la cantidad de desechos orgánicos degradables, mayor será el valor para la DBO. Si la
DBO es lo bastante alta, se asume agotamiento del oxígeno y ningún ser vivo (con excepción de
los anaerobios) puede sobrevivir en el efluente.
AGUAS ÁCIDAS
En su caída, las aguas lluvias arrastran por disolución algunos contaminantes atmosféricos, como
óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre, que se convierten en ácido nítrico (HNO3) y sulfúrico
(H2SO4).
SO3 + H2O
H2SO4
Éstos ácidos caen sobre la Tierra como lluvia, nieve o simplemente niebla ácida. Algo similar
ocurre con los óxidos de nitrógeno en la atmósfera.
AGUA POTABLE
Son aquellas aptas para beber y contienen sustancias como sales de Mg, Ca, Na, K y aire, debe
estar libre de microorganismos patógenos, nitritos, nitratos y material orgánico.
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12. En muchos casos el agua que bebemos proviene de presas, lagos y ríos .Esta agua podría estar
muy contaminada con sustancias químicas y microorganismos patógenos. Lograr que esta agua
sea segura y aceptable para el paladar implica varios pasos de tratamiento químico y físico.
ETAPAS GENERALES DE OBTENCIÓN
1. Procesos Físicos:
Eliminación de ripios, ramas, papeles, gravillas y arenas (tamizado).
Decantación.
Filtración.
2. Procesos Físico-Químicos:
Coagulación o floculación
Cloración
Fluoración.
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13. Esquema detallado para la obtención de agua potable
CAPTACIÓN
El agua cruda se obtiene de dos fuentes distintas, aguas superficiales (lagos y ríos) y aguas
subterráneas (pozos profundos). En esta etapa se eliminan los sólidos grandes como basura,
ramas y hojas que pudiese contener el agua.
DESARENACIÓN Y O TAMIZADO
En esta etapa el agua es conducida a estanques desarenadores, en donde se disminuye la
velocidad del agua y por efecto de la gravedad, la arena existente decanta, y el agua se aclara.
COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN
En esta etapa se agregan al agua coagulantes como cloruro férrico AlCl3 y sulfato de aluminio
Al2(SO4)3 que facilitan la aglomeración de partículas pequeñas aún existentes en el agua,
haciéndolas más pesadas. La coagulación es un proceso que consiste en la desestabilización de las
partículas coloidales a través de la neutralización de sus cargas, generalmente negativas.
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14. DECANTACIÓN
Las partículas aglomeradas por efecto de la gravedad se depositan en el fondo del estanque, lo
que produce la clarificación del agua.
FILTRACIÓN
A continuación el agua se somete a un filtrado que permite eliminar los flóculos al quedar
retenidos en el sistema de filtros. Los filtros están formados con capas de principalmente carbón
activo, arena y gravilla.
CLORACIÓN
Al agua ya filtrada se le incorpora cloro para la eliminación de microorganismos patógenos
presentes como bacterias y hongos, además contribuye a la eliminación de olores.
ADICIÓN DE FLÚOR
El último paso es agregar flúor al agua como medida general para prevenir la formación de caries.
Los contenidos óptimos son del orden de 1,5-2,5 mg/L, contenidos mayores provocan aparición de
fluorosis dental.
AGUAS RESIDUALES Y SU TRATAMIENTO
Las aguas residuales son aquellas aguas producidas (contaminadas) durante las actividades del
hombre ya sea en procesos industriales, domésticos, agrícolas, pecuarios y en general de
cualquier otra actividad. Respecto de los contaminantes que contiene, se diferencian de acuerdo
con la procedencia y actividad realizada, por ejemplo las aguas municipales (casas) están
contaminadas principalmente con materia orgánica y detergentes. Aquellas usadas en trabajos
agrícolas y ganaderos contienen principalmente pesticidas y fungicidas y desechos orgánicos de
animales. Para evitar los daños a la salud y el medio ambiente estas aguas residuales se tratan.
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15. Es interesante hacer un poco de historia, ya que el proceso de lodos activados nació precisamente
del estudio al río Támesis durante la revolución industrial, cuando grandes volúmenes de
contaminantes eran descargados en sus aguas.
Tras observación y experimentación descubrieron que existía un lodo activo que se encargaba de
la limpieza del agua. Posteriormente descubrieron que ese lodo activo se conformaba de colonias
de bacterias –principalmente e-colli, proveniente de la flora intestinal de humanos y animalesque se encargaba de digerir los contaminantes, y que el oxígeno suministrado por cascadas,
rápidos, etc. evitaba la producción de olores (al contrario de lo que pasaba en los pantanos y
aguas estancadas donde no había suministro de oxígeno).
En un principio, las plantas de tratamiento se desarrollaron con métodos empíricos, y para los
años 70’s, las normas de descarga se volvieron sumamente estrictas, lo que motivó el desarrollo
de un tratamiento secundario del agua residual. El sistema de lodos activados resultó tan
confiable y seguro, que actualmente más del 70% del agua tratada a nivel mundial se realiza con
este sistema sus diferentes modalidades.
TRATAMIENTO
TRATAMIENTO PRIMARIO
Consiste en la eliminación del material sólido (palos, piedras, hojas) mediante métodos mecánicos
como filtración, flotación y sedimentación (decantación).
TRATAMIENTO SECUNDARIO
En esta etapa se elimina hasta el 90% de los desechos biodegradables que requieren oxígeno. La
eliminación se produce por procesos fisicoquímicos (lodos activados, aireación y métodos
anaerobios).El tratamiento secundario más común es el de los lodos activados donde las aguas
residuales provenientes del tratamiento primario pasan a un tanque de aireación en donde se
burbujea aire u oxígeno, desde el fondo del tanque para favorecer el rápido crecimiento de
bacterias y otros microorganismos. Las bacterias utilizan el oxígeno para descomponer los
desechos orgánicos de estas aguas. Los sólidos en suspensión y las bacterias forman el lodo
activado, el cual sedimenta y se lleva a un tanque digestor aeróbico para su degradación.
Finalmente este lodo se utiliza en la fertilización de campos de cultivo, (aunque también se
incinera o se lleva a un relleno sanitario). Entre el tratamiento primario y secundario de las aguas
se elimina cerca del 90 % de los sólidos en suspensión y cerca del 90 % de la materia orgánica.
TRATAMIENTO TERCIARIO
Se denomina tratamiento terciario a cualquier tratamiento que se realice después de la etapa
secundaria, el fin de este tipo de tratamiento es eliminar la mayor cantidad de desechos antes de
enviar las aguas nuevamente a un río o directamente al mar.
Las operaciones que se utilizan en los tratamientos terciarios son: adsorción por carbón activado,
osmosis inversa, microfiltración, intercambio iónico, electrodiálisis, cloración y ozonización.
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16. Esquema detallado para el tratamiento
Tratamiento primario
Tratamiento secundario
Tratamiento terciario (osmosis inversa)
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