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MANEJO CONOCIMIENTOS PROPIOS DE LAS CIENCIAS NATURALES

Santillana

1. El agua y las solucionesEl agua es una de las sustancias ms abundante en la biosfera. Su capacidad para formar soluciones con un sinnmero de sustancias, hace que, cerca del 90% de las disoluciones sean acuosas. Por esta razn, antes de entrar en materia, vamos a dedicar unas pginas a esta sustancia nica.

1.1 El agua1.1.1 Estructura y composicinLa molcula de agua es triatmica, es decir, est compuesta por tres tomos: dos de hidrgeno y uno de oxgeno, unidos mediante enla-ces covalentes polares. Estos tomos no estn unidos en lnea recta, sino que se ubican formando un ngulo de 104,5 (figura 1). Esta forma geomtrica hace que la molcula de agua sea dipolar, con una carga negativa en el extremo donde se halla el tomo de oxgeno y cargas positivas cerca de los hidrgenos. Entre diferentes molculas de agua se generan fuerzas de atraccin medidas por estas cargas. A esta interaccin caracterstica del agua se le conoce como puente de hidrgeno.

1.1.2 Propiedades fsicasA continuacin mencionaremos algunas de las caractersticas del agua:n Punto de ebullicin y punto de fusin. A nivel del mar, la tempe-

ratura de ebullicin del agua es de 100 C y la de fusin es de 0 C. Estas temperaturas son altas si se comparan con las de otros com-

puestos formados por hidrgeno y un elemento no-metlico, del mismo grupo del oxgeno, como el cido sulfhdrico (H2S), cuyos puntos de fusin y ebullicin son 281 C y 261 C, respectiva-mente. Esto se debe a la capacidad del agua para formar puentes de hidrgeno.

n Densidad. La densidad del agua es 1 g/cm3, cuando se encuentra a 4 C y a 1 atm de presin. Esto quiere decir que, en 1 cm3 de agua encontramos una masa de 1 g, bajo estas condiciones de tempera-tura y presin. Como podrs intuir, la densidad del agua vara con la temperatura. As, por ejemplo, a 20 C la densidad del agua es 0,998 g/cm3. Sin embargo, cuando el agua cambia del estado lquido al slido, en vez de contraer su volumen, como ocurre con el resto de los lquidos, se expande, disminuyendo su densidad. Esto se debe a que las molculas se reorganizan en agregados moleculares, que ocupan ms espacio. Debido a la menor densidad del hielo con respecto al agua lquida, es posible que este flote (figura 2).

n Apariencia. El agua pura es incolora, inodora e inspida. Cualquier cambio en estas propiedades se debe a sustancias extraas que estn disueltas en ella. El agua para ser potable debe estar bien ai-reada, debe contener oxgeno en disolucin, debe disolver el jabn, no debe poseer materia orgnica en descomposicin, ni sustancias nitrogenadas.

Figura 1. El agua es una molcula polar. Las cargas parciales de diferentes molculas se atraen entre s, formando puentes de hidrgeno.

Figura 2. El hielo es menos denso que el agua lquida, gracias a que las fuerzas de atraccin intermoleculares forman agregados tridimensionales, que ocupan ms espacio.

Aguaslida

Agualquida

tomosdeoxgeno

tomosdehidrgeno

d1

H

d2

H

d1

104,5O

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Componente: Procesos fsicos

Figura 3. Las gotas de agua son esfricas debido a su elevada tensin superfi cial. Esto hace que la pelcula de molculas superfi ciales se cierre sobre s misma, ocupando el menor volumen posible.

n Tensin superfi cial. Todos hemos observado a pequeos insectos caminando sobre el agua, como si la superfi cie del agua actuara como una capa de piel. Este fenmeno, conocido como tensin superfi cial, se debe a la atraccin mutua que se presenta entre las molculas de agua. Mientras las molculas que estn debajo de la superfi cie del agua experimentan una fuerza de atraccin entre s y en todas las direcciones, las molculas que se encuentran en la superfi cie, experi-mentan una fuerza de atraccin con otras molculas de la superfi cie y con las que estn ubicadas inmediatamente debajo de ellas. Esto crea un desequilibrio de fuerzas, cuyo resultado es una mayor tensin sobre la superfi cie del agua. La tensin superfi cial de un lquido hace que una gota de ese lquido tenga forma esfrica (fi gura 3).

1.1.3 Propiedades qumicasLas propiedades qumicas del agua se pueden analizar a travs del estudio de las reacciones en las que esta sustancia participa, ya sea como reactivo o como producto. Veamos algunas de ellas:n Descomposicin trmica. Si bien el agua es un compuesto bastante

estable frente a la accin del calor, cuando se somete a temperaturas elevadas (ms de 2.000 C), puede separarse en sus componentes.

n Electrlisis. La aplicacin de una corriente elctrica directa a travs del agua genera su descomposicin y la liberacin de hidrgeno y oxgeno gaseosos, segn se ilustra en la siguiente reaccin:

corriente elctrica2H2O(l) 2H2(g) 1 O2(g)n Reaccin con xidos. El agua reacciona con xidos de algunos me-

tales, produciendo el hidrxido correspondiente. Por ejemplo:K2O 1 H2O 2KOH

Hidrxido de potasioAs mismo, reacciona con xidos de elementos no-metales, produ-ciendo el cido respectivo. Por ejemplo:

SO2 1 H2O H2SO3 cido sulfuroson Reaccin con metales. El agua reacciona directamente con algunos

metales de los grupos IA y IIA, formando hidrxidos:2Na 1 2H2O 2NaOH 1 H2

2Ca 1 2H2O 2Ca(OH)2En otros casos, se forma un xido, con desprendimiento de hidr-geno:

Mg 1 H2O MgO 1 H23Fe (a alta temperatura) 1 3H2O Fe2O3 1 3H2

Esta reaccin se usa en la industria para producir hidrgeno.n Reaccin con no-metales. El agua puede reaccionar con algunos

no-metales cuando se somete a temperaturas elevadas (entre 500 C y 1.000 C). Con el carbono, por ejemplo, produce monxido o dixido de carbono, segn las reacciones:

C 1 H2O CO 1 H2 (a unos 1.000 C)C 1 2H2O CO2 1 2H2 (a ms de 1.000 C)

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El agua y las soluciones

1.1.4 Contaminacin del aguaEl agua puede contaminarse con compuestos minerales y orgni-cos (figura 4), as como microorganismos y variaciones bruscas de temperatura. Veamos.n Contaminantes minerales: dentro de este grupo encontramos

sustancias txicas, como nitratos, nitritos y metales pesados. As como hierro, magnesio, zinc y cobre, que afectan las pro-piedades organolpticas del agua. Otros elementos, como fsforo, potasio y calcio, cuando se encuentran en exceso, ge-neran un exagerado desarrollo de la vegetacin, fenmeno co-nocido como eutroficacin, (del griego eu 5 bien o en exceso y trofos 5 alimento, es decir, exceso de alimento). El resultado es el predominio de unas pocas especies capaces de aprovechar la sobreoferta de recursos, con lo cual hay una prdida de la diversidad biolgica y de la calidad del agua.

n Contaminantes orgnicos: entre estas sustancias figuran los fenoles, que cambian el sabor del agua; los hidrocarburos, que modifican su olor y sabor y afectan la salud humana; los de-tergentes, responsables de la espuma y de la concentracin de impurezas; los residuos sanitarios, que generan malos olores, as como infecciones en la poblacin.

n Contaminacin biolgica: la presencia de microorganismos patgenos, como bacterias y protozoos, en el agua destinada a consumo humano, constituye un grave problema de salud p-blica, ya que estos organismos producen enfermedades como el clera, la disentera y otros trastornos digestivos.

n Contaminacin trmica: se produce cuando agua caliente, proveniente de industrias, es vertida al agua. El agua caliente contiene menos oxgeno disuelto que el agua ms fra, lo cual provoca alteraciones graves en la estructura de las comunida-des acuticas.

1.1.5 Tratamiento de las aguas contaminadas

El esquema de la figura 5 ilustra el funcionamiento general de una planta de tratamiento de aguas servidas o de aguas industriales.

Figura 4. Los desechos industriales son la principal fuente de contaminacin del agua.

Figura 5. Esquema de una planta de tratamiento de aguas residuales.

EJER

CICI

O 1. Mencionatresalternativasviablesparaevi-tarlacontaminacindelagua.

2. Propnunmecanismoquepermitaahorraraguaentuhogar.

Tratamiento preliminar

Barrerade

ltracin

Aguas servidasno tratadas

Cmarade arena

Remocinde slidosde mayortamao

Separacinde la arena

Tratamiento primarioRemocin de partculasde materia orgnica

Tanque desedimentacin

Agua clara

Abonos

Fertilizantes

Tratamiento secundarioRemocin de materiaorgnica disuelta

Tanque desedimentacin

Tanque de aireacin

Bomba de aire

Tratamientoterciario

Remocin de fosfatosy materia orgnica

Hacia canales de aguadespus de ladesinfeccin congas cloro

Materiaorgnica

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CIENCIA TECNOLOGA

AGUA,un lquido poco comn

No hay ni plipo ni camalen que cambien de color tan a menudo como el agua.

Jean-Albert Fabricius.El

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CIENCIA TECNOLOGA

El agua, es quizs el compuesto qumico ms comn para todos. Su frmula H2O es muy conocida por su gran abundancia: el 70% del planeta Tierra est cubierto por ocanos y mares, los seres vivos estamos constituidos en un gran porcentaje por este lquido, por ejemplo, el cuerpo de una medusa tiene alrededor de 90% de agua y el cuerpo humano est compuesto en un 70% por este mismo lquido. La vida es inconcebible sin la presencia del agua, se dice que donde hay agua, hay vida. Nuestro planeta es el nico en el sistema solar que tiene las condiciones ambienta-les para albergar este compuesto en todos sus estados: vapor en las nubes, lquida en ros, lagos, ocanos..., y slida en forma de hielo o nieve.Al ser el agua la sustancia ms abundante en la superfi cie de nuestro planeta, pode-mos fcilmente pensar que es un lquido comn y simple. Pero en realidad es todo lo contrario; sus propiedades fsicas y qumicas convierten a este lquido en el com-puesto inorgnico ms importante de nuestro planeta. El agua es el solvente uni-versal por excelencia, esto quiere decir que una variedad enorme de compuestos inorgnicos y algunos orgnicos se disuelven en ella, esta propiedad permite que sucedan las reacciones propias del metabolismo de las clulas y, por consiguiente, la vida. El agua posee una capacidad calrica alta, lo que le permite absorber grandes cantidades de energa calrica, esta propiedad permite que acte como termostato controlando la temperatura del planeta y de sus ecosistemas.El agua es el nico compuesto cuyo estado slido es menos denso que su estado lquido, esto signifi ca que el hielo al ser menos denso que el agua lquida puede fl otar sobre ella, formando grandes masas de hielo en los polos conocidas como icebergs, los cuales contribuyen en la regulacin del clima del planeta Tierra.

La medusa es un organismo que posee alrededor de un 90% de su peso en agua.

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El futuro de la vida en el planeta y nuestro propio futuro

dependen de la conservacin y el buen uso que demos

a las fuentes naturales de agua.

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El ciclo del agua en el planeta permite que la superfi cie de la Tierra sea un sistema dinmico, que facilita intercambios de materia y energa fundamen-tales para el sostenimiento de la vida.

El futuro de la vida en el planeta y nuestro propio futuro dependen de la conservacin y el buen uso que demos a las fuentes naturales de agua. Por ejemplo, algunos pases del Medio Oriente poseen fuentes de agua muy limitadas, lo cual genera confl ictos polticos, sociales y econmicos que pueden ocasionar guerras. Caso contrario ocurre en las regiones tropicales, zonas privilegiadas a nivel mundial por sus mltiples fuentes de agua, sin embargo, el gran problema ambiental surge en el uso indiscriminado e inefi ciente que hacemos de este recurso hdrico.Producir agua potable, es decir, agua apta para el consumo humano, requiere de pro-cesos qumicos especiales, cada litro de agua que malgastamos es un desperdicio tanto econmico como de esfuerzo de otros, y lo ms lamentable de la situacin es saber que este tipo de agua es privilegio de pocos. En la actualidad, algunas poblaciones en el mundo no cuentan con suministro de agua potable lo que ocasiona la muerte de personas, plantas y animales por el consumo de aguas contaminadas.Aunque existen toneladas de agua en los mares y los ocanos, esta contiene niveles ele-vados de sales minerales que la hacen no apta para el consumo humano, sin embargo, actualmente es posible purifi car agua de mar mediante un proceso basado en smosis inversa. Aunque este proceso a nivel industrial ha demostrado un alto grado de efecti-vidad, el costo es muy elevado lo que lo hace limitado.

Planta de tratamiento de agua.

Porquelaguaesunasustanciafundamentalparalavida? Porquelaguademarnoesconsideradaaguapotable? Culessonlaspropiedadesquehacendelaguaunasustancianica? Enquconsistirlasmosisinversa?

Refl exiono sobre lo ledo Fortalezco mis valores CmoparticipoeneldesarrollodelProyecto

AmbientalEscolardelcolegio? Dequmanerahagousoadecuadodelrecurso

hdricoenlosdiferentesespaciosenloscualeshabito?

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