El agua, químicamente hablando

M en C Rafael Govea VillaseñorM en C Rafael Govea Villaseñor

El agua químicamenteEl agua químicamentehablandohablando

M en C Rafael Govea VillaseñorM en C Rafael Govea VillaseñorCINVESTAVCINVESTAV

UAM-IUAM-IVersión 1.1


¿Qué es el ¿Qué es el agua?agua?

Es un compuesto Es un compuesto químico formado por la químico formado por la unión de dos átomos unión de dos átomos de Hidrógeno a un de Hidrógeno a un

oxígeno. oxígeno. Por eso su Por eso su nombre IUPAC sería:nombre IUPAC sería:

Monóxido de Monóxido de dihidrógeno. dihidrógeno.


¿Qué tan grande es la molécula de ¿Qué tan grande es la molécula de agua?agua?

El HEl H22O es una pequeña molécula O es una pequeña molécula

(unos 3 x 10(unos 3 x 10-10-10 m = m = 0.3 nm0.3 nm).).


¿Cuál es la forma de la molécula ¿Cuál es la forma de la molécula de agua?de agua?

La molécula de HLa molécula de H22O tiene 3 átomos acomodados en O tiene 3 átomos acomodados en

forma de “V”. El ángulo entre los dos enlaces O-H es de forma de “V”. El ángulo entre los dos enlaces O-H es de alrededor de 105°alrededor de 105°


¿A qué se debe la forma de las ¿A qué se debe la forma de las moléculas del agua?moléculas del agua?

La configuración del La configuración del 88O 1sO 1s22 2s 2s22 2p 2p44 explica la forma de la molécula explica la forma de la molécula

del agua y sus extraordinarias propiedades.del agua y sus extraordinarias propiedades.

Los 6 ℮ exteriores del oxígeno ocupan orbitales «s» y ‒Los 6 ℮ exteriores del oxígeno ocupan orbitales «s» y ‒«p»:«p»:

88O 1s 2s 2pO 1s 2s 2pxx 2p 2p

y y 2p 2pzz

Si le damos energía, los orbitales de la Si le damos energía, los orbitales de la 22aa capa se mezclan formando 4 capa se mezclan formando 4

orbitales equivalentes sp3. Dos con un orbitales equivalentes sp3. Dos con un par de ℮ y otros dos con 1 sólo ℮ , ‒ ‒par de ℮ y otros dos con 1 sólo ℮ , ‒ ‒

capaces de formar enlaces covalentes capaces de formar enlaces covalentes hacia dos vértices de un tetraedro.hacia dos vértices de un tetraedro.


¿Cómo se forman los enlaces O-H ¿Cómo se forman los enlaces O-H del agua?del agua?

Los e- solitarios del oxígeno forman sendos pares de e- de Los e- solitarios del oxígeno forman sendos pares de e- de enlace con el electrón de cada hidrógeno, Así el oxígeno enlace con el electrón de cada hidrógeno, Así el oxígeno

logra completar su última capa al igual que los hidrógenos.logra completar su última capa al igual que los hidrógenos.

Representación de Lewis de la molécula del Representación de Lewis de la molécula del aguaagua


¿Qué consecuencias tiene el ¿Qué consecuencias tiene el ángulo de los enlaces O-H del ángulo de los enlaces O-H del

agua?agua?Los enlaces O-H son covalentes polares. Por eso, hay Los enlaces O-H son covalentes polares. Por eso, hay

cargas parciales cargas parciales ++ en los H y otra parcial en los H y otra parcial –– en el O. en el O.

Esas cargas forman dos Esas cargas forman dos dipolosdipolos que se suman debido al que se suman debido al ángulo y hacen que la molécula del agua sea muy polarángulo y hacen que la molécula del agua sea muy polar


¿Por qué el H¿Por qué el H22O es polar y el COO es polar y el CO2 2

no?no?Por la estructura de sus moléculas. En el agua los enlaces Por la estructura de sus moléculas. En el agua los enlaces O-H están a 104.5°, mientras en el COO-H están a 104.5°, mientras en el CO

22 los enlaces C=O los enlaces C=O están a 180°están a 180°

sp2sp2sp2sp2 sp1sp1sp3sp3


¿Qué ocurre si la molécula de agua ¿Qué ocurre si la molécula de agua es un poderoso dipolo? es un poderoso dipolo?

Forma enlaces intermoleculares que atraen a otras Forma enlaces intermoleculares que atraen a otras moléculas polares (dipolos) o a iones.moléculas polares (dipolos) o a iones.

δδ ++ δδ -- δδ ++ δδ --

δδ ++

δδ --

++ --

Fuerza de atracciónFuerza de atracciónFuerza de atracciónFuerza de atracciónFuerza de atracciónFuerza de atracción

Fuerza de atracciónFuerza de atracciónFuerza de atracciónFuerza de atracción


De hecho el HDe hecho el H22O forma un enlace O forma un enlace débil muy importante débil muy importante

Cuando un hidrógeno está Cuando un hidrógeno está unido covalentemente a un unido covalentemente a un átomo muy electronegativo átomo muy electronegativo como el O, N y F aparece como el O, N y F aparece

una atracción eléctrica una atracción eléctrica débil entre el H δdébil entre el H δ++ y el otro y el otro átomo electronegativo δátomo electronegativo δ--

alineado y cercano.alineado y cercano.

El puente de hidrógeno se El puente de hidrógeno se representa con una línea representa con una línea

punteadapunteada


¿Por qué el puente de Hidrógeno ¿Por qué el puente de Hidrógeno es muy importante?es muy importante?

El puente de hidrógeno es el responsable de la conducta El puente de hidrógeno es el responsable de la conducta atípica del agua. atípica del agua. Comparen las líneas azules (agua) vs Comparen las líneas azules (agua) vs

líneas punteadas para líquidos normales.líneas punteadas para líquidos normales.


Para resaltar lo inusual del aguaPara resaltar lo inusual del agua

Comparemos el agua (HComparemos el agua (H22O) con otros O) con otros

hidruros de la Tabla Periódicahidruros de la Tabla Periódica


Veamos la temperatura de ebullición de Veamos la temperatura de ebullición de los Hidruros del Grupo IVAlos Hidruros del Grupo IVA

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

16.01 32.1 76.6 122.7

Teb

CH4 SiH4 GeH4 SnH4

Masa molecular

Tem

pera

tura

de

ebul

lició

n

Si graficamos la Teb Si graficamos la Teb vsvs la masa molecular de los la masa molecular de los hidruros del grupo del carbonohidruros del grupo del carbono


Dibujemos la recta pasa más cerca de Dibujemos la recta pasa más cerca de la Tla Tebeb de los Hidruros del Grupo IVA de los Hidruros del Grupo IVA

-180

-160

-140

-120

-100

-80

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0

16.01 32.1 76.6 122.7

Teb

CH4 SiH4 GeH4 SnH4

Masa molecular

Tem

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atu

ra d

e e

bulli

ción

Claramente a mayor masa molecular mayor Claramente a mayor masa molecular mayor temperatura de ebullicióntemperatura de ebullición


¿Cómo es la Temperatura de ebullición ¿Cómo es la Temperatura de ebullición de los Hidruros del Grupo IVA?de los Hidruros del Grupo IVA?

CH4 SiH4 GeH4 SnH4

Cuando revisamos la temperatura Cuando revisamos la temperatura de ebullición de los hidruros del de ebullición de los hidruros del grupo del carbono encontramos grupo del carbono encontramos

un cambio progresivo en sus un cambio progresivo en sus propiedades de acuerdo a su propiedades de acuerdo a su

masa molecularmasa molecular (posición en la (posición en la tabla periódica).tabla periódica).


Ahora grafiquemos la temperatura de Ahora grafiquemos la temperatura de ebullición de los Hidruros del Grupo 6Aebullición de los Hidruros del Grupo 6A

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100

18 34.1 81 129.6

Teb

H2O H2S H2Se H2TeMasa molecular

Tem

per

atu

ra d

e e

bulli

ción

Pero no el punto de ebullición del HPero no el punto de ebullición del H22OO


Ahora, extrapolemos la TAhora, extrapolemos la Tebeb de los de los Hidruros del Grupo VIA…Hidruros del Grupo VIA…

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100

18 34.1 81 129.6

Teb


Tem

pera

tura

de

ebul

lició

n

Bajando primero una línea vertical desde la masa Bajando primero una línea vertical desde la masa del Hdel H22O hasta la recta y luego...O hasta la recta y luego...


Terminemos de extrapolar la TTerminemos de extrapolar la Tebeb de los de los Hidruros del Grupo del oxígeno…Hidruros del Grupo del oxígeno…

-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100

18 34.1 81 129.6

Teb


Tem

pe

ratu

ra d

e eb

ullic

ión

Reflejando la línea hacia el eje de la TReflejando la línea hacia el eje de la Tebeb


¿Cuál es la conclusión?¿Cuál es la conclusión?

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

18 32.06 79.9 127.6

Teb


Tem

per

atu

ra d

e e

bulli

ció

n

El agua debiera hervir a 100 ºC bajo ceroEl agua debiera hervir a 100 ºC bajo cero


El agua hierve a 100° C al nivel del marEl agua hierve a 100° C al nivel del mar

Cuando teóricamente debiera de hervir a Cuando teóricamente debiera de hervir a menos 100 ºC y por tanto ser gas menos 100 ºC y por tanto ser gas cuando cuando

es líquida como nos consta.es líquida como nos consta.


Porque los Porque los enlaces de enlaces de puente de puente de Hidrógeno Hidrógeno unen a sus unen a sus moléculasmoléculas

Hie

loH

ielo

Agu

a líq

uid

aA

gua

líqui

da

Men

os d

ensi

dad

Men

os d

ensi

dad

Más

den

sida

dM

ás d

ensi

dad

¿Porqué el ¿Porqué el agua es agua es

extraordinaria?extraordinaria?


El Agua es Extraordinaria, El Agua es Extraordinaria, DensidadDensidad

• Tiene Propiedades fuera de lo común: Tiene Propiedades fuera de lo común:

Su densidad es máxima a 4° C Su densidad es máxima a 4° C

–DD20ºC20ºC = 0.99823 g/cm = 0.99823 g/cm33

–DD4ºC4ºC = 1.00000 g/cm = 1.00000 g/cm33

–DD0ºC0ºC = 0.99987 g/cm = 0.99987 g/cm33

–DD0ºC hielo0ºC hielo = 0.915 g/cm = 0.915 g/cm33

Noten que el hielo flota sobre Noten que el hielo flota sobre el agua líquida porque es el agua líquida porque es

menos denso.menos denso.


El Agua es Extraordinaria, Calor...El Agua es Extraordinaria, Calor...

• Tiene valores muy altos de... Tiene valores muy altos de...

–Calor EspecíficoCalor Específico4-25ºC 4-25ºC = = 1.018 cal/g ºC1.018 cal/g ºC

–Calor de Evaporación Calor de Evaporación = 9,719 cal/mol= 9,719 cal/mol


El Agua es Extraordinaria, El Agua es Extraordinaria, PolaridadPolaridad

• Tiene una capacidad Tiene una capacidad muy alta para disolver muy alta para disolver sustancias, en particular sustancias, en particular las polares debido a su : las polares debido a su :

–Constante Constante DipolarDipolarenen BencenoBenceno = = 1.761.76


ConclusiónConclusión

El agua es la El agua es la sustancia más sustancia más abundante y abundante y

importante de un importante de un organismo organismo


Hay un peroHay un peroEl agua dulce es un bien muy escaso en la El agua dulce es un bien muy escaso en la Tierra y Tierra y ya casi usamos toda la que existe ya casi usamos toda la que existe


Es importanteEs importante

Que la cuidemosQue la cuidemos

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