LA QUÍMICA DEL AGUA (PURA Vs CONTAMINADA)

Saludos a todos estimados lectores. Nuevamente les traigo un tema de sumo interés para todos y que me resultó muy emocionante tratarlo. La química del agua.

Todos tenemos conocimiento de que el agua es el líquido más abundante en la faz de la tierra y por mucho el más importante para la vida. Los humanos estamos constituido de un 75% de agua al igual que las frutas y los vegetales que tienen aproximadamente 85%. En la vida ocurren cientos de reacciones que necesitan de agua para poder realizarse. Algunos ejemplos en la naturaleza, es la fotosíntesis donde las plantas necesitan del CO₂ y el agua del ambiente para generar una serie de nutrientes y compuestos orgánicos para su desarrollo normal, como la producción de flores y frutos. Como este existen miles de procesos que necesitan de agua. Afortunadamente contamos con un reservorio de agua en la tierra que puede considerarse que es un 82% de la superficie. No toda es líquida y pura debido a que un gran porcentaje está en forma de solución salina en los océanos y otro porcentaje grande esta de forma sólida en los glaciales polares y en menos cantidad está en estado gaseoso en la atmósfera.

Sin embargo, existen zonas menos favorecidas por este líquido vital, ya sea por su disposición geográfica o porque la demanda industrial y urbana es mayor que la disponibilidad. Este problema se ve aumentado por la contaminación de las pequeñas reservas de agua dulce.

Superficie

El principal objeto de este post es mostrarles algunos procesos químicos para la purificación del agua, ya sea por contaminación natural o provocada por la humanidad, pero antes de esto debo ampliarles las propiedades físicas y químicas del agua.

AGUA PURA

Propiedades Física del Agua

Este líquido es tan común que frecuentemente ignoramos muchas de sus propiedades. Por ejemplo, el agua tiene un punto de ebullición en 100 °C que es casi 250 grados por encima al del metano que es -160 °C aun cuando estos dos compuestos son similares en su masa molar. Entonces ¿Porque es tan peculiar este líquido?

Existen varias propiedades que determinan esos efectos, uno es el alto calor específico. Que hace posible una estabilidad de la temperatura de la superficie del planeta. Es decir, las grandes masas de agua absorben el calor del sol para luego liberarlo por las noches sin cambios significativos en las temperaturas. Caso contrario ocurre en la luna, donde su superficie es rocosa y tiene un calor especifico muy por debajo al del agua y la temperatura es capaz de cambiar 200 grados centígrados en 12 horas. Esta estabilidad en la temperatura de la tierra también se debe al calor de vaporización del agua que es el más alto entre todos los líquidos. Esto ayuda a disipar el calor que llega a la tierra desde el sol.

También conocemos que el agua tiene una propiedad resaltante y es que la densidad del estado sólido es menor que la del líquido y por ende el hielo flota en las superficies. Esta característica le confiere vida a los ecosistemas marinos. Solo imagina si no fuese así, y el hielo se depositara en las profundidades de los océanos, lagos o mares. Tardaría semanas, meses o tal vez años en fundirse y provocaría la mortalidad de miles de especies.

Estructura del agua

Para estudiar el agua, es importante ver su estructura química ya que ella cambia dependiendo del estado en la que se encuentre, porque que varía al cambiar de fase. La del estado gaseoso es la más simple mientras que la sólida y líquida son mucho más complejas.

Sólida

Estructura cristalina del hielo-Fuente: Elaboración propia

Las moléculas del agua en el estado sólido (Hielo) se organizan como se muestra en la figura anterior. Pueden identificar muy fácilmente un hexágono y como existen algunos sitios vacíos que son la razón por la cual el hielo presenta una densidad más baja que la del agua líquida. En el H₂O un átomo de oxigeno se encuentra rodeado por 2 átomos de hidrógenos donde 2 están unidos por puentes de hidrógenos un poco más alejados que los 2 unidos covalentemente Esto beneficia el arreglo tetraédrico y le confiere a la estructura del hielo la estabilidad característica. (Ver figura siguiente)

Arreglo tetraédrico del hielo-Fuente: Elaboración propia

Líquida

La estructura del agua líquida es una mezcla entre la cristalina del hielo y la desordenada del vapor. Aunque muchos científicos la definen como un racimo. Porque al fundirse el hielo su estructura hexagonal se deforma de cierto modo como se muestra en la figura 4. Esta es la razón por la que el volumen del hielo es mayor en su estado sólido que cuando se funde debido a que su estructura hueca se compacta más. Sin embargo, los científicos no están de acuerdo ni tienen la certidumbre de como realmente se encuentran las moléculas del agua en su estado líquido. El más aceptado es el modelo que se muestra en la figura que es un modelo de racimo de moléculas de agua unidas por puentes de hidrógeno en presencia de otras moléculas de agua libre. Debido a la movilidad de este estado estos arreglos son cambiantes y no existe un modelo constante.

Figura 4. Estructura del agua líquida -Fuente: Elaboración propia

AGUA CONTAMINADA

Sabemos que no es un secreto que somos nosotros los principales causantes de la contaminación de las aguas. En un post anterior les mostré como las industrias, sin reparo en las consecuencias, desechan sus residuos a los reservorios naturales de agua. Y como esto tiene consecuencias tanto en los ecosistemas marinos como en la vida de las aves acuáticas. Pero ¿a que llamamos agua contaminada?

La respuesta a esta interrogante es sencilla, es aquella agua impropia para un determinado fin. Es decir, un agua puede estar inadecuada para el consumo humano pero con estándares adecuados para procesos industriales.

Pero no todas las fuentes de contaminación son industriales, también existen fuentes naturales, como ejemplo están los cationes inorgánicos en las profundidades de los océanos, mares y lagos. Los carbonatos de calcio y magnesio (CaCO₃, MgCO₃), disueltos en las aguas hacen que esta se convierta en agua dura que es inutilizable para el consumo humano. De igual forma, existen subterráneamente arsenales de hierro que reaccionan con el agua caliente y produce los hidróxidos de hierro. (Estas son las manchas amarillas en los baños). Y sigue la reacción que se muestra en la ecuación 1

Ec 1

Un contaminante muy importante es la sedimentación natural que genera las partículas en suspensión proveniente de la tierra, tal vez de la erupción de volcanes los movimientos tectónicos, etc. Existen otros tipos de contaminantes y se muestran en la tabla 1.

La mayoría de los detergentes en la antigüedad no se degradaban con facilidad y por esto es que podemos ver espumas en algunos desagües, ríos y lagos. Pero actualmente, las estructuras de los detergentes han sido modificadas para ayudar a la biodegradación de estos y poder disminuir la contaminación. Esto porque los fosfatos que constituyen los detergentes, favorecen el crecimiento de las algas marinas y esto evita que la luz solar penetre en el agua e impide que el proceso de fotosíntesis ocurra y por ende desoxigena el agua.

Por otra parte, se encuentran los insecticidas que tienen efectos similares a los detergentes, solo que sus orígenes son distintos. Estos provienen de la industria agrícola y la agropecuaria.

Se puede ver en la tabla en la última fila un ejemplo de contaminación algo distinta a los que estamos acostumbrados a oír, y es el calor. Muchos procesos industriales requieren enfriar sistemas, y la forma convencional es utilizar agua como refrigerante, usualmente esta agua caliente es dirigida a los reservorios y con el tiempo esas reservas de agua aumentan sus temperaturas que son nocivas para los ecosistemas.

MÉTODOS DE PURIFICACIÓN DEL AGUA

Para resumir algunos métodos de purificación muestro la tabla 2.

Existen muchos métodos físicos y químicos disponibles para la purificación de cantidades de agua grandes. Tanto para consumo humano e industrial, sin embargo todos estos métodos conllevan un gasto energético asociado. Que puede ser disminuido con la disminución de la contaminación de los reservorios de agua naturales.
Aun cuanto este tema es muy interesante, resulta algo extenso por lo que decido que es una buena síntesis hasta aquí. Saludos a todos mis lectores y hasta una nueva oportunidad comunidad de Steem-espanol
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Las estructuras del agua las construí utilizando varios softwares de emulación química como ChemDraw 3D.

Referencias

1. Seymour Stambler, Quimica. paginas 285