EL AGUA Y SOLUCIONES EL AGUA Y SOLUCIONES ACUOSASACUOSAS

I . Propiedades del aguaI . Propiedades del agua II. Ácidos, Bases y BuffersII. Ácidos, Bases y Buffers III. Problemas y aplicacionesIII. Problemas y aplicaciones

I. I. PropiedadesPropiedades del agua del agua

A. Estructura e interaccionesA. Estructura e interacciones 1. Geometría1. Geometría 2. Enlaces Hidrógeno2. Enlaces Hidrógeno 3. Propiedades Físicas3. Propiedades Físicas 4. Conductividad, autoionización y otras 4. Conductividad, autoionización y otras

propiedades químicas.propiedades químicas. B. El agua como solventeB. El agua como solvente 1. Polaridad1. Polaridad 2. Propiedades anfipáticas2. Propiedades anfipáticas 3. Movilidad de protones (iones Hidronio e 3. Movilidad de protones (iones Hidronio e

Hidroxilo)Hidroxilo)

II. Acidos, bases y buffersII. Acidos, bases y buffers

A. Reacciones ácido-baseA. Reacciones ácido-base 1. Definiciones1. Definiciones

2. Fuerza de un ácido: constante de disociación2. Fuerza de un ácido: constante de disociación

3. El pH: concentraciones relativas de ácidos y 3. El pH: concentraciones relativas de ácidos y

basesbases

B. BuffersB. Buffers 1. Qué es un buffer ?1. Qué es un buffer ?

2. Como escoger y preparar un buffer2. Como escoger y preparar un buffer

AGUA:LA SÚPER AGUA:LA SÚPER SUSTANCIASUSTANCIA

Objetivo: Demostrar la Objetivo: Demostrar la singularidad del agua como singularidad del agua como

sustancia química.sustancia química.

Aspectos importantes del AGUAAspectos importantes del AGUA

Calor específicoCalor específico: ¿ Haz ido alguna vez a la playa : ¿ Haz ido alguna vez a la playa para refrescarte en un día caliente?¿ Por qué demora para refrescarte en un día caliente?¿ Por qué demora mucho más calentar el agua y no el hierro o la arena?mucho más calentar el agua y no el hierro o la arena?

El agua tiene una alta capacidad calórica debido a los El agua tiene una alta capacidad calórica debido a los puentes de hidrógeno, el agua necesita más energía puentes de hidrógeno, el agua necesita más energía para subir su temperatura porque mucha de ésta se para subir su temperatura porque mucha de ésta se usa para romper los puentes de Hidrógeno. usa para romper los puentes de Hidrógeno.

El agua actúa como un termostato para el planeta.El agua actúa como un termostato para el planeta. Solvente universal: ¡Excelente solvente!Solvente universal: ¡Excelente solvente!Gracias a su naturaleza polar y por los puentes de Gracias a su naturaleza polar y por los puentes de

hidrógeno. hidrógeno.

Estructura del hielo: Los átomos de oxígeno e Estructura del hielo: Los átomos de oxígeno e hidrógeno están en rojo y blanco hidrógeno están en rojo y blanco

respectivamente.respectivamente.

LA MOLÉCULA DE AGUA ES LA MOLÉCULA DE AGUA ES POLAR Y FORMA ENLACES DE POLAR Y FORMA ENLACES DE

HIDRÓGENOHIDRÓGENO El Oxígeno del agua posee una hibridación spEl Oxígeno del agua posee una hibridación sp33 dando una dando una

unión H-O-H de 104.5°unión H-O-H de 104.5° El oxígeno es más electronegativo que el H y por tanto el El oxígeno es más electronegativo que el H y por tanto el

enlace O-H es polar.enlace O-H es polar. La carga parcial del oxígeno es de -0.82 y la del hidrógeno La carga parcial del oxígeno es de -0.82 y la del hidrógeno

de +0.41 debyes, produciendo un dipolo permanente.de +0.41 debyes, produciendo un dipolo permanente. La interacción entre las débiles cargas parciales del La interacción entre las débiles cargas parciales del

oxígeno y las del hidrógeno forman los enlaces hidrógeno.oxígeno y las del hidrógeno forman los enlaces hidrógeno. Por su polaridad y capacidad de formar enlaces de Por su polaridad y capacidad de formar enlaces de

hidrógeno el agua actúa rápidamente con solutos polares.hidrógeno el agua actúa rápidamente con solutos polares. En solución, la esfera de solvatación (capa de moléculas En solución, la esfera de solvatación (capa de moléculas

de agua) rodea cada ión del soluto.de agua) rodea cada ión del soluto.

Estructura de la molécula de Estructura de la molécula de aguaagua

El perímetro El perímetro representa la representa la envoltura de Van der envoltura de Van der Waals de la molécula Waals de la molécula (los componentes que (los componentes que se atraen están se atraen están balanceados con los balanceados con los que se repelen). El que se repelen). El modelo esquemático modelo esquemático de la molécula indica de la molécula indica los enlaces los enlaces covalentes.covalentes.

Enlace de hidrógeno entre dos Enlace de hidrógeno entre dos moléculas de aguamoléculas de agua

La fuerza de la interacción es máxima cuando La fuerza de la interacción es máxima cuando el enlace covalente O-H apunta directamente el enlace covalente O-H apunta directamente hacia una nube de un par de electrones del hacia una nube de un par de electrones del átomo de oxígeno al que se une el hidrógeno.átomo de oxígeno al que se une el hidrógeno.

Los enlaces por puente de hidrógeno, la Los enlaces por puente de hidrógeno, la forma y su naturaleza polar, justifican sus forma y su naturaleza polar, justifican sus

propiedadespropiedades

EstadosEstados: El agua es la única sustancia en el : El agua es la única sustancia en el planeta que podemos encontrar en los tres planeta que podemos encontrar en los tres estados, en condiciones normales.estados, en condiciones normales.

En estado gaseoso se encuentra en la cercanía de En estado gaseoso se encuentra en la cercanía de los manantiales y de las fuentes termales y en la los manantiales y de las fuentes termales y en la atmósfera, donde regula el clima.atmósfera, donde regula el clima.

En estado sólido en los témpanos y en los casquetes En estado sólido en los témpanos y en los casquetes glaciares y es una reserva de agua dulce.glaciares y es una reserva de agua dulce.

En estado líquido constituye el 70 % de la superficie En estado líquido constituye el 70 % de la superficie de la Tierra y actúa como un depósito de energía.de la Tierra y actúa como un depósito de energía.

LOS ENLACES DE HIDRÓGENO SON LOS ENLACES DE HIDRÓGENO SON IMPORTANTES EN LAS PROPIEDADES IMPORTANTES EN LAS PROPIEDADES

FISICAS DEL AGUAFISICAS DEL AGUA

La densidad La densidad del agua es irregular: la densidad del agua es irregular: la densidad disminuye a 0°C debido a que las moléculas se disminuye a 0°C debido a que las moléculas se hallan unidas por los enlaces hidrógeno, lo que hallan unidas por los enlaces hidrógeno, lo que hace que se formen cristales y esto reduzca la hace que se formen cristales y esto reduzca la cinética molecular.cinética molecular.

El agua es un excepción importante: es menos El agua es un excepción importante: es menos densa como sólido que como líquido y por eso el densa como sólido que como líquido y por eso el hielo flota en el agua. Si el hielo fuera más denso, hielo flota en el agua. Si el hielo fuera más denso, los lagos y estanques se congelarían desde el fondo los lagos y estanques se congelarían desde el fondo hacia la superficie. El hecho de que el hielo se hacia la superficie. El hecho de que el hielo se forme y permanezca en la superficie de los lagos forme y permanezca en la superficie de los lagos permite que la vida acuática que hay debajo permite que la vida acuática que hay debajo sobreviva al frío invernal.sobreviva al frío invernal.

Otras propiedadesOtras propiedades CapilaridadCapilaridad: gracias a los eph que buscan adherirse : gracias a los eph que buscan adherirse

a las paredes del tubo donde está contenida. Esta a las paredes del tubo donde está contenida. Esta propiedad es responsable de la absorción de agua por propiedad es responsable de la absorción de agua por materiales porosos, ya que los poros están conectados materiales porosos, ya que los poros están conectados de tal manera que el agua puede fluir.de tal manera que el agua puede fluir.

Tensión superficialTensión superficial: debido a las fuerzas : debido a las fuerzas intermoleculares de cohesión y adhesión.intermoleculares de cohesión y adhesión.

Calidad del aguaCalidad del agua: Se refiere a la composición que : Se refiere a la composición que ésta tiene, dependiendo de las ésta tiene, dependiendo de las cantidades(concentraciones) de las sustancias cantidades(concentraciones) de las sustancias disueltas en ella. La calidad se rige por estándares disueltas en ella. La calidad se rige por estándares que dependen del uso que se vaya a dar al agua: que dependen del uso que se vaya a dar al agua: consumo humano, industrial, agrícola, recreativo, etc.consumo humano, industrial, agrícola, recreativo, etc.

MOLECULAS APOLARES NO SON MOLECULAS APOLARES NO SON SOLUBLES EN AGUASOLUBLES EN AGUA

Las sustancias apolares y los hidrocarburos no se Las sustancias apolares y los hidrocarburos no se disuelven en agua.disuelven en agua.

Esto se debe a que las interacciones agua-agua Esto se debe a que las interacciones agua-agua son más fuertes que las agua-hidrocarburo y las son más fuertes que las agua-hidrocarburo y las obliga a ubicarse en un solo lugar.obliga a ubicarse en un solo lugar.

Las sustancias apolares son hidrofóbicas (se Las sustancias apolares son hidrofóbicas (se repelen con el agua y son solubles en disolventes repelen con el agua y son solubles en disolventes orgánicos)orgánicos)

Las substancias polares son hidrofílicas (afines a Las substancias polares son hidrofílicas (afines a y solubles en agua y compuestos polares).y solubles en agua y compuestos polares).

AUTOIONIZACIÓN DEL AGUAAUTOIONIZACIÓN DEL AGUA

El agua presenta conductividad eléctrica debido a sus El agua presenta conductividad eléctrica debido a sus iones, ya que surgen porque el agua puede ser iones, ya que surgen porque el agua puede ser donador o aceptor de un protón con si misma. Esto es donador o aceptor de un protón con si misma. Esto es la autoionización. la autoionización.

El hidrógeno se puede donar a una molécula de agua El hidrógeno se puede donar a una molécula de agua cercana uniéndose a electrones no compartidos del cercana uniéndose a electrones no compartidos del oxígeno. Esta misma molécula donadora puede aceptar oxígeno. Esta misma molécula donadora puede aceptar un hidrógeno de una molécula distinta en estado Hun hidrógeno de una molécula distinta en estado H3300+ + o o HH22O. Así, una molécula de agua puede actuar como O. Así, una molécula de agua puede actuar como ácido generando una base conjugada: ácido generando una base conjugada: H-O-H + H-O-H H-O-H + H-O-H H H3300++ (hidronio)+ OH (hidronio)+ OH-- (hidroxilo)(hidroxilo)

La constante de equilibrio es: La constante de equilibrio es: Kc= [HKc= [H++] [OH] [OH--] / [H] / [H22O] O]

Solvatación de los iones negativos y Solvatación de los iones negativos y positivos según la orientación de las positivos según la orientación de las

moléculas de aguamoléculas de agua

La concentración del agua es 55,6 molar, por lo que se La concentración del agua es 55,6 molar, por lo que se deduce que: 55,6 M = [Hdeduce que: 55,6 M = [H22O]. Así, Kw es igual a multiplicar O]. Así, Kw es igual a multiplicar Kc por la molaridad: Kw = Kc (55.6) = [HKc por la molaridad: Kw = Kc (55.6) = [H++] [OH] [OH--]. ].

La La constante Kw se denomina constante del producto constante Kw se denomina constante del producto iónico del agua; a 25 grados centígrados su valor es de iónico del agua; a 25 grados centígrados su valor es de 1.0 x 101.0 x 10-14 . -14 . Este valor es una constante real, por lo que Este valor es una constante real, por lo que permanece valida aunque cambien las concentraciones permanece valida aunque cambien las concentraciones de los iones: si [Hde los iones: si [H++] es mayor que [OH] es mayor que [OH--]] se producirá una se producirá una solución ácida, mientras que si [OHsolución ácida, mientras que si [OH--]es mayor que [H]es mayor que [H++] ] habrá una solución alcalina.habrá una solución alcalina.

Estas dos concentraciones son recíprocas: únicamente Estas dos concentraciones son recíprocas: únicamente cuando son iguales la solución será neutra. cuando son iguales la solución será neutra.

CONCEPTO ACIDO - BASECONCEPTO ACIDO - BASE

Los pares de electrones libres del oxígeno de la Los pares de electrones libres del oxígeno de la molécula de agua determinan el molécula de agua determinan el comportamiento de la misma.comportamiento de la misma.

Según Bronsted & Lowry:Según Bronsted & Lowry: Acido.- Sustancia capaz de donar un protón Acido.- Sustancia capaz de donar un protón

al solvente formando el ión hidronio (Hal solvente formando el ión hidronio (H33OO++))

Base.- Sustancia capaz de aceptar un Base.- Sustancia capaz de aceptar un protón del solvente y formar el ión hidroxilo protón del solvente y formar el ión hidroxilo (OH(OH--))

CONSTANTE DE CONSTANTE DE DISOCIACIÓNDISOCIACIÓN

Soluciones ácidas.-Soluciones ácidas.- HX --> HHX --> H++ + X + X--

àcido base conjugaàcido base conjuga

Constante ácida: Ka = [HConstante ácida: Ka = [H++] [X] [X--] / [HX]] / [HX]– Mientras más bajo sea el valor de Ka, más Mientras más bajo sea el valor de Ka, más

débil es el ácido.débil es el ácido.– H - C --> no se ionizaH - C --> no se ioniza– H - O --> se ionizaH - O --> se ioniza– Del valor de Ka se calcula [HDel valor de Ka se calcula [H++] en una ] en una

solución ácidasolución ácida– Si Ka es bajo no se utiliza la ecuación Si Ka es bajo no se utiliza la ecuación

cuadráticacuadrática

Soluciones alcalinas.-Soluciones alcalinas.-

NHNH33 + H + H22O --> NHO --> NH44 + OH + OH--

base ácido acido basebase ácido acido base

conjugado conjugadaconjugado conjugada

Constante básica: Kb = [NHConstante básica: Kb = [NH44++] [OH] [OH--] *] * [[ NHNH33] ]

[H[H22O]O]

* * El término [HEl término [H22O] al ser constante, es incorporado dentro de la O] al ser constante, es incorporado dentro de la constante de equilibrio:constante de equilibrio:

Kc [HKc [H22O] = Kb = [NHO] = Kb = [NH44++] [OH] [OH--] /] / [[ NHNH33]]

RELACIÓN ÁCIDO-BASE RELACIÓN ÁCIDO-BASE CONJUGADOSCONJUGADOS

Si un ácido es de carácter fuerte, su base Si un ácido es de carácter fuerte, su base conjugada será relativamente débilconjugada será relativamente débil

NHNH44+ + --> NH --> NH3.3. + H + H++ (1) (1)

Si la base es de carácter débil, su ácido Si la base es de carácter débil, su ácido conjugado es relativamente fuerte.conjugado es relativamente fuerte.

NHNH3 3 + H+ H22O --> NHO --> NH44++ + OH + OH-- (2) (2)

PRINCIPIO DE EQUILIBRIO PRINCIPIO DE EQUILIBRIO QUÍMICOQUÍMICO

NHNH44+ + --> NH --> NH3.3. + H + H++ (1) (1)

NHNH3 3 + H+ H22O --> NHO --> NH44++ + OH + OH-- (2) (2)

Si:Si: reacción (1) + reacción (2) = reacción reacción (1) + reacción (2) = reacción (3)(3)

entonces, entonces, K1 x K2 = K3K1 x K2 = K3

por tanto, por tanto, Ka x Kb = Kw Ka x Kb = Kw

Kw= constante de disociación del aguaKw= constante de disociación del agua

pH - MEDIDA DE ACIDEZpH - MEDIDA DE ACIDEZ

pH = - log [HpH = - log [H++] = log ] = log 1 1

[H[H++]]

Kw= [HKw= [H++] [OH] [OH--] = 1.0 X 10] = 1.0 X 10-14-14

pH < 7.0 --> [HpH < 7.0 --> [H++] > [OH] > [OH--] ácido] ácido

pH = 7.0 --> [HpH = 7.0 --> [H++] = [OH] = [OH--] neutro] neutro

pH > 7.0 --> [HpH > 7.0 --> [H++] < [OH] < [OH--] básico] básico

SOLUCIONES TAMPÓN (buffers)SOLUCIONES TAMPÓN (buffers)

Son mezclas de ácidos débiles con sus sales o Son mezclas de ácidos débiles con sus sales o de bases débiles con sus sales, debido a que de bases débiles con sus sales, debido a que estas soluciones resisten a un cambio en la estas soluciones resisten a un cambio en la [H[H++] al añadir cantidades pequeñas de ácidos o ] al añadir cantidades pequeñas de ácidos o bases (fuertes).bases (fuertes).

Existe una relación entre el pH y el pKa, que es Existe una relación entre el pH y el pKa, que es el pH al cual se disocia la mitad de un ácido.el pH al cual se disocia la mitad de un ácido.

K= [HK= [H++] [A] [A--] pK = -log K] pK = -log K

[HA][HA] Ecuación de Henderson-HasselbachEcuación de Henderson-Hasselbach

pH = pKa + log ([ApH = pKa + log ([A--]/ [HA])]/ [HA])