sábado, 28 de mayo de 2011

Propiedades del agua

Propiedades del agua


Es evidente la importancia del agua en nuestra vida diaria. La cocción de los alimentos con agua es uno de los procedimientos más empleados en la cocina por rapidez, economía y facilidad.

            En 1781 el químico inglés Joseph Priestley realizó su síntesis mediante la combustión del hidrógeno. Posteriormente, los químicos Lavoisier y Cavendish demostraron que en su composición estaban presentes el oxígeno y el hidrógeno, y en 1805 el químico francés Gay-Lussac determinó que la fracción de hidrógeno  por volumen de oxigeno era igual a 2. Así que, la molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, y su fórmula química es H2O.

Desde el punto de vista de la química inorgánica, la molécula de agua es un tetraedro irregular levemente modificado, con el oxígeno en su centro (figura I.4). Los dos átomos de hidrógenos y los electrones despantallados de los dos orbitales  híbridos ocupan las esquinas del tetraedro. El ángulo entre los átomos de hidrógeno es de 104,5  grados.



        Esto se debe a que, el átomo de oxígeno mantiene alejados los electrones de los núcleos de hidrógeno, dejándolos con una carga parcialmente positiva, mientras que los dos electrones generan una región con carga negativa localizada. Esta fuerte polaridad de la molécula de agua no es consecuencia única de su geometría tetraédrica irregular, sino también de la naturaleza de sus átomos; el oxígeno, es un átomo de alta electronegatividad y por lo tanto presenta gran capacidad de atraer los electrones de enlace covalente de los hidrógenos hacia su región, generando una fuerte polarización de la molécula. Esta configuración hace que la molécula de agua se convierta en un dipolo eléctrico, es decir, una molécula con las cargas eléctricas positiva y negativa distribuida asimétricamente alrededor de su estructura. En consecuencia, la molécula de agua constituye un dipolo con un elevado momento dipolar eléctrico. Esta propiedad hace que se establezcan interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua a través de enlaces o puentes de hidrógeno, porque la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de las moléculas adyacentes (figura I.5).


       Por otra parte, en la naturaleza existen tres isótopos de hidrógeno, cada uno de los cuales se puede combinar con el oxígeno y formar tres clases de agua: de protio H2O, deuterio D2O y tritio T2O. Pero, si además los átomos y los isótopos del hidrogeno se combinan, se puede obtener otros tipos de agua como el HDO, HTO y DTH; como el oxígeno también tiene tres isótopos (oxígeno-16, oxígeno-17 y oxígeno-18), aumentan los tipos de agua hasta doce. De todas éstas, la más abundante es el agua de protio.



El agua es una de las sustancias que se consigue normalmente en la naturaleza en tres estados: sólido, líquido y gaseoso; y puede cambiar de un estado a otro (sólido a líquido, por ejemplo) manteniendo la temperatura constante. Cuando se enfría cerca del cero centígrado, su densidad se invierte y se hace más liviana, y cuando solidifica (hielo) su densidad disminuye. Es por ésta propiedad que el hielo flota en al agua líquida. En la figura I.6, se muestra los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua en fase condensada (líquida) y en la figura I.7, la estructura cristalina hexagonal del hielo común.


En la figura I.8 se puede observar una gráfica típica de la presión P (Kp/cm2) en función de la temperatura t, para los procesos termodinámicos de cambios de estado del agua, y en general válida para cualquier sustancia. Este se conoce como el diagrama de fase de los tres estados en que se encuentra el agua en la naturaleza. Para efecto de comparación 1 Kp/cm2 = 9,087x104 Pa (1 Pa = 1 N/m2). Las líneas curvas representan las interfases de separaciones entre dos fases particulares, y la intersección de las tres, el estado donde coexisten las tres fases en equilibrio termodinámico. Así por ejemplo, el punto a ubicado en la línea punteada de la rama liquido-vapor corresponde al estado en que existen en equilibrio la fase líquida con la gaseosa a la presión de 1 Atm (760 mm Hg) y la temperatura de 100 C, como es caso del agua en ebullición a nivel del mar (0 m); el punto b corresponde al estado de equilibrio sólido-líquido donde coexiste el agua sólida con la fase líquida, a la temperatura de aproximadamente 0 oC y a la presión atmosférica (1 Atm). En estos dos puntos, así como en cualquier otro de las curvas, la temperatura se mantiene constante. Cualquier estado de equilibrio con la presión de 1 Atm, ubicado entre los puntos a y b, se encuentra en la fase líquida; si la temperatura es mayor que la del punto a, se encuentra en la fase gaseosa; si es menor que la del punto b, se encuentra en la fase sólida. Por debajo de 4,6 mm Hg el hielo pasa directamente a la fase gaseosa sin pasar por la líquida, es decir se sublima; o el vapor se solidifica directamente sin pasar por el estado líquido, y la temperatura permanece constante.

Existen otros procesos fisicoquímicos que se dan en el agua y que  conviene  conocer para hacer más eficiente la preparación de cualquier menú. El agua tiene conductividad térmica moderada (0.58 Wm-1K-1) y elevado calor específico (1,0 cal g-1 oC-1). En consecuencia, durante la cocción de sopas, consomés y caldos, se producen procesos de absorción y transferencia de calor (energía térmica) entre el agua y los alimentos, que se ven favorecidos por poseer éstas  características. Además, como la fuente de calor se encuentra en la base de los recipientes de cocina, aparecen corrientes verticales de convección que la agitan constantemente, asegurando así la uniformidad de la temperatura durante la cocción. Por otra parte, como el agua tiene alta temperatura de ebullición (cerca de 100 C, snm), la preparación de los alimentos es más rápida y efectiva; ya que, mejor es la cocción mientras mayor sea la temperatura. Asimismo, cocinar con agua y su vapor, a elevada temperatura, representa una ventaja financiera, en comparación con el aceite.

Por su parte, la alta tensión superficial que posee, permite que se forme una membrana en su superficie libre, la cual sirve, por ejemplo, de sustentación para los insectos que sobre ella se posan. El agua también presenta el fenómeno de capilaridad mediante el cual sube a través de tubos muy delgados hasta que el “empuje” dado por la tensión superficial se balancee con el peso de la columna. Este efecto es muy importante en biología, ya que el agua sube por capilaridad desde las raíces de los árboles hasta las hojas más altas de sus follajes; también por capilaridad se lleva a cabo la irrigación de parte del organismo de los animales de sangre caliente; igualmente, en el cuerpo humano se llevan a cabo multitud de fenómenos por capilaridad.

            El agua también es un disolvente eficaz de la mayoría de las especias y sales para sazonar; lo que explica en términos gastronómicos que el cocimiento con agua sea un método muy empleado en cualquier cocina. Es considerada el solvente universal por su capacidad de debilitar las fuerzas moleculares de los átomos que se encuentran en la superficie del soluto, permitiendo que sus moléculas se separen y se mezclen con ella.


Como es conocido, el ingrediente principal en cualquier plato que se prepare en la cocina es la sal común de mesa o cloruro de sodio (NaCl). Esta sustancia se presenta en forma cristalina con simetría cúbica, donde los iones cloruros se agrupan en cubos, mientras que los iones sodio, llenan los espacios octaédricos entre los cloruros (figura I.9). Por consiguiente, en la preparación de cualquier sopa, estamos preparando una disolución, donde el agua hace las veces de solvente y la sal de soluto. Pero, ¿qué sucede con sus componentes cuando se disuelve en el agua? La sal de cocina se encuentra en forma de cristales. Cuando se agrega sal al agua, sus componentes se separan en iones Na+ y  Cly las moléculas de agua comienzan a rodearlos, como se muestra en las figuras I.10A y B. Como el ión sodio es positivo, atrae a la molécula de agua por la región del oxígeno, el cual es electronegativo; y como el ión cloro es negativo atrae a la molécula de agua por el lado de los átomos de hidrógeno, los cuales son parcialmente positivos. Esto permite que las moléculas de agua se  alineen  de manera diferente dependiendo de los iones que tenga la solución. La parte negativa del oxígeno de las moléculas de agua rodearan los iones de sodio positivos; las partes de los hidrógenos positivos rodearán los iones de cloro negativos.


Algunas moléculas biológicas (por ejemplo, los lípidos) forman dispersiones coloidales cuando se mezclan con agua. Por tal razón es el principal componente del cuerpo de los humanos y de los animales. Participa como agente químico reactivo, en las reacciones de hidratación, hidrólisis y oxido-reducción. Permite que muchas partículas se difundan en su interior constituyendo su medio de transporte para sustancias nutritivas. Cómo los puentes de hidrógeno absorben mucha energía, su calor específico (1 cal/gºC) es alto, lo que contribuye a reducir los cambios bruscos de temperatura, permitiendo el desarrollo y mantenimiento de la vida en diversos ambientes térmicos.

En diferentes regiones del planeta, el agua natural posee alcalinidad, que le confiere cierta  dureza debido a los bicarbonatos y carbonatos de calcio y magnesio en ella disueltos. Existe una clasificación en aguas duras y blandas, dependiendo de la concentración (en mg) de carbonato cálcico (CaCO3) por litro. Las aguas duras no causan problemas al organismo humano y son tan satisfactorias como las aguas blandas; sin embargo, el consumo prolongado de aguas muy duras producen coloraciones indeseables en el esmalte de los dientes. Este tipo de agua impide que el jabón funcione debidamente a la hora de lavar.

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