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EL AGUA Y SUS DISOLUCIONES INTRODUCCIÓN El agua es una sustancia de vital importancia para todos los seres vivos. Sin ella nuestro planeta sería muy diferente de cómo hoy lo conocemos.

Ha sido utilizada por el hombre desde la antigüedad con diversas finalidades y hoy es de gran importancia en la mayoría de las actividades industriales. En muy pocas ocasiones encontramos en la naturaleza agua pura, ya que son muchas las sustancias que se pueden disolver en ella, por esto no sólo trataremos el agua, sino también algunas de sus disoluciones.

Llamamos a la Tierra el Planeta Azul. ¿A qué es

debido?

¿Qué tipo de sustancia es el agua? Si tuvieras que elaborar un informe sobre el agua, ¿qué temas o aspectos incluirías? CÓMO HAN CONSIDERADO LOS CIENTÍFICOS EL AGUA A LO LARGO DE LA HISTORIA - Edad Antigua y Edad Media Los primeros pensadores que se preocuparon por desentrañar la composición de las cosas fueron los griegos. Nos situamos hacia el 600 a.C., cuando Tales de Mileto se preguntaba por la naturaleza de las sustancias y por cómo era posible que se transformaran unas en otras. Propuso que todas las cosas estaban formadas por una única materia básica, o elemento, que podía transformarse en todas las demás. Esta materia básica no podía ser otra para Tales que el agua, que todo lo impregnaba y que posibilitaba la vida. Tales consideraba además la Tierra como un disco plano, rodeado por una semiesfera celeste y flotando en un océano infinito.

Los griegos no se basaban en la experimentación: una idea era considerada como

verdadera cuando no estaba en contradicción con otras. No obstante, no es de extrañar que Tales de Mileto pensase que el agua es la sustancia que todo lo constituye puesto que, no sólo estamos rodeados de ella, sino que forma parte de la composición de todos los seres vivos.

El Universo, según Tales de Mileto

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La idea de elemento de Tales fue compartida por muchos filósofos, pero se fueron añadiendo otros elementos además del agua: la tierra, el aire y el fuego. Fue Empédocles (aproximadamente 490-430 a.C.) el que propuso que todos los sistemas materiales estaban constituidos únicamente por agua, tierra, aire y fuego. Su tesis fue aceptada, aunque modificada, por Aristóteles (384-322 a.C.), el más influyente de los filósofos griegos. Esto provocó la continuidad de esta teoría durante unos dos mil años.

Una cuestión muy importante que se

debatió entre los filósofos griegos fue la divisibilidad de la materia. Demócrito (aproximadamente 470-380 a.C.) fue el principal representante de la teoría atomista, que defendía que la materia no se puede dividir indefinidamente, sino que existen unas partículas indivisibles muy pequeñas, llamadas átomos, que todo lo constituyen. Pero para muchos filósofos, especialmente para Aristóteles, la idea de partícula indivisible resultaba paradójica y no la aceptaron. No obstante, el pensamiento atomístico no murió.

El poeta romano Tito Lucrecio Caro (99-55 a.C.) expuso las ideas de Demócrito en un poema titulado De Rerum Natura. Ésta fue una de las primeras obras que aparecieron de forma impresa tras la invención de la imprenta por Johan Gutenberg (aproximadamente 1397-1468), difundiéndose la concepción atomista por toda Europa.

Durante la Edad Media, si bien surgen las primeras experimentaciones y algunos pensadores mantienen hipótesis atomísticas, destacan sobre todo las ideas aristotélicas. El agua, junto con los metales, eran considerados como los elementos fundamentales. La mayoría de los esfuerzos durante esta época iban encaminados a conseguir la transformación de unos elementos en otros, sobre todo se perseguía la transformación del resto de los metales en oro. Es lo que conocemos como Alquimia, precursora de la Química. 1. ¿El concepto de elemento tiene para nosotros el mismo significado que para los griegos? 2. ¿Qué era el agua para los griegos? 3. ¿Qué entiendes por teoría atómica? 4. Los filósofos griegos, ¿se basaban en la experimentación?

Símbolo alquimista del agua

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5. ¿De qué dependía, para los filósofos griegos, que un pensamiento fuera aceptado como válido?

6. Te proponemos una experiencia que te permitirá determinar la cantidad de agua presente

en la carne. El éxito de esta experiencia depende de lo cuidadoso que seas y de que sigas las recomendaciones de tu profesor. Necesitas: un trozo pequeño de carne cortado en láminas finas (para facilitar esta tarea puedes congelar el trozo de carne previamente), una cápsula de porcelana, un hornillo eléctrico o uno de gas y una balanza. Procedimiento: Pesa la cápsula de porcelana y después la misma cápsula con las láminas finas de carne extendidas sobre ella. Calienta lentamente la carne hasta que tenga un aspecto dorado. Deja enfriar la cápsula de porcelana. Si han quedado restos de agua, calienta la cápsula de nuevo. Pesa la cápsula con la carne una vez fría y seca. Con los datos disponibles ya puedes calcular el porcentaje en masa de agua en la carne. Compara tus resultados con los de tus compañeros. ¿Hay coincidencia entre ellos? ¿A qué puede ser debido? Si un laboratorio te hubiese pedido el análisis de agua en la carne, ¿cuál de los datos obtenidos proporcionarías? Expresa el porcentaje de agua en la carne de la forma más adecuada. 7. Idea una experiencia que te permita determinar, de forma aproximada, el porcentaje de

agua que contiene la materia vegetal.

- La transición hacia el pensamiento moderno Jean Baptista Van Helmont (1577-1644) fue el primero en aplicar la medición a un problema de química. Inspirado en el Libro del Génesis, en el que apreció un papel preponderante del agua, asignó a la misma la función de principio material de todas las cosas y quería proporcionar pruebas experimentales que lo demostrasen. Para ello, estudió el crecimiento de un brote de sauce durante cinco años. Cultivó el sauce en un maceta con una cantidad de tierra

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desecada al horno y previamente pesada. Medía, además, la cantidad de agua con la que regaba el árbol y lo pesaba periódicamente. Transcurridos los cinco años el sauce había aumentado su masa en 45 kg, mientras que la tierra, después de desecada, sólo había perdido 60 g. Van Helmont creía que el agua se transformaba en madera y que luego podía transformarse en ceniza térrea por combustión de la madera. Aunque probó que las plantas no sólo se alimentaban de las sustancias del suelo, nunca pensó que pudiese existir relación alguna entre el crecimiento de la planta y los gases atmosféricos. Rechazó el carácter material del fuego.

Robert Boyle (1627-1691) compartió las ideas de Van Helmont sobre el fuego pero negaba que los otros elementos, agua, tierra y aire, pudieran ser los constituyentes últimos de la materia. Definió el concepto de elemento de una forma práctica. Para Boyle los elementos son aquellas sustancias simples de las que se compone el universo y no se pueden descomponer en otras. Una sustancia se puede considerar un elemento si no se consigue descomponer, pero si en algún momento se logra su descomposición, pasará a considerarse como una sustancia mixta o compuesta. Este es el caso del agua. Usando la definición de Boyle, debemos considerarla como un elemento, ya que no se conocía en aquella época procedimiento alguno para su descomposición. Muchas otras sustancias fueron consideradas elementos junto al agua: los metales, algunas sales, la cal, la sílice, la luz y el calórico.

Años más tarde, en 1781, Cavendish (1731-1810) consiguió agua al quemar hidrógeno en el aire. El agua tenía que ser por tanto un compuesto, y como tal, debía ser susceptible de descomposición.

La descomposición del agua se logró algunos años después. No fue posible hasta que

el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) inventase la pila eléctrica y produjera con ella corriente eléctrica. En 1800, a las seis semanas de publicar Volta su trabajo, los químicos ingleses Willian Nicholson y Anthony Carlisle hicieron pasar una corriente eléctrica a través del agua y hallaron que empezaban a aparecer burbujas de gas en las varillas de metal conductoras de la electricidad que habían introducido en el agua. Los gases obtenidos fueron hidrógeno y oxígeno.

Es necesario destacar que, en la época de Helmont, el único gas conocido era el aire.

El hidrógeno fue descubierto por Henry Cavendish en 1766 y el oxígeno por Joseph Priestley en 1774.

1. ¿Podemos considerar el agua como un elemento? ¿Para qué modo de pensamiento es

válida tu respuesta? 2. ¿Por qué no se consideró el agua como compuesto hasta finales del siglo XVIII? 3. Infórmate sobre qué es el calórico. 4. La luz y el calórico, ¿pueden considerarse elementos químicos?

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5. De las siguientes sustancias infórmate sobre cuáles son elementos y cuáles no: hierro, plata, oro, cobre, sal, cal, sílice. En el caso de que sean sustancias compuestas, averigua en qué sustancias simples se pueden descomponer.

Durante esta época las concepciones atomísticas no fueron del todo olvidadas, si bien muchos químicos no las aceptaban porque no había pruebas experimentales que confirmasen su existencia. Otros, las usaban como simples hipótesis para explicar fenómenos.

Como ejemplo de esto último te presentamos unos fragmentos del libro Optica, escrito por Isaac Newton (1642-1727). Isaac Newton es uno de los grandes físicos de todos los tiempos y, aunque muchas de sus ideas en el campo de la química fueron erróneas, el modo en el que emplea un modelo corpuscular para la materia es muy significativo. Por otra parte, Newton tuvo una gran influencia en los científicos de su época y en los posteriores. Igual que Aristóteles en su tiempo y mucho después (durante veinte siglos prácticamente). El agua, que es una sal muy fluida e insabora, con el calor se convierte en vapor, que es una especie de aire, y con el frío se convierte en hielo, que es una piedra fusible, frágil, transparente y dura. A su vez esta piedra se hace de nuevo agua con el calor, mientras que el vapor se hace agua con el frío. ... ¿No poseen las pequeñas partículas de los cuerpos ciertos poderes, virtudes o fuerzas con los que actúan a distancia unas sobre otras, para producir una gran parte de los fenómenos de la naturaleza? ... Todos los cuerpos parecen estar compuestos por partículas duras, pues, de lo contrario, no se congelarían los fluidos, tal como ocurre si se hiela el agua, los aceites, el vinagre y el espíritu de aceite de vitriolo. ... Además, las gotas de cualquier fluido adoptan una figura redonda por las atracciones de sus partes, del mismo modo que la Tierra y el mar adoptan una forma redonda por atracción mutua de sus partes, debida a la gravedad. ... Si se disuelve una cantidad pequeña de cualquier sal o de vitriolo en una gran cantidad de agua, las partículas de sal o vitriolo no se hundirán hasta el fondo, por más que posean una gravedad específica superior a la del agua, sino que, por el contrario se difundirán uniformemente por todo el agua, haciéndola tan salina en el fondo como en la superficie. ¿Acaso no implica esto que las partes de sal o del vitriolo se apartan unas de otras y tratan de expandirse y alejarse tanto cuanto permita la cantidad de agua en que están inmersas? ¿Acaso esta tendencia no muestra que poseen una fuerza repulsiva, por la que se alejan unas de otras o, al menos, que atraen al agua con más fuerza que a las demás partes de sal o del vitriolo?...Cuando el agua y el aceite de vitriolo se vierten sucesivamente en la misma vasija y se calientan muchísimo con la mezcla,¿ acaso ese calor no muestra que las partes de los líquidos poseen un gran movimiento?¿Acaso este movimiento no muestra que, al mezclarse, las partes de ambos líquidos se unen con violencia, por lo que corren unas hacia otras con movimiento acelerado?

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Es necesario señalar que el modelo corpuscular que usaba Newton es estático, es decir, consideraba las partículas en reposo a no ser que un agente externo provoque un cambio sobre el sistema. 6. Sin duda, uno de las observaciones que nos puede hacer pensar en la naturaleza

corpuscular de la materia son los cambios de estado. Son fáciles de interpretar usando un modelo corpuscular para la materia.

Diseña una experiencia que te permita analizar los cambios de estado del agua. ¿Qué magnitudes tienes que controlar? Indica cómo procederías para constatar las siguientes afirmaciones: - El cambio de estado agua sólida a agua líquida se produce a 0 °C, a la presión de 1 atm. Mientras se produce el cambio de estado la temperatura permanece constante. - El cambio de agua líquida a agua gaseosa se produce a 100 °C, a la presión de 1 atm. Mientras se produce el cambio de estado la temperatura permanece constante. - La temperatura de ebullición de una disolución acuosa es mayor cuanto mayor es la concentración de la disolución (trabaja con disoluciones en las que el sólido no sea volátil). - La temperatura de fusión de una disolución acuosa es menor cuanto mayor es la concentración de la disolución.

En cada una de las experiencias, representa los datos obtenidos en tablas y gráficas.

Reflexiona sobre los datos y comenta las conclusiones.

7. Introduce dos recipientes en el congelador, uno contiene agua y el otro un caldo. ¿Cuál se congelará antes? ¿Por qué?

8. En los lugares donde se alcanzan frecuentemente temperaturas inferiores a 0°C, ¿por qué

no se congela el líquido de los circuitos de refrigeración de los coches? 9. ¿Por qué se echa sal sobre las carreteras heladas para facilitar la descongelación? 10. ¿Explicaría Newton los cambios de estado que puede sufrir el agua tal como se explican

en la actualidad? 11. ¿A qué propiedad se refiere Newton cuando dice “una gravedad específica superior a la

del agua”?

¿Cuánto vale la densidad del agua? ¿Qué significa este dato? Compárala con la densidad de la sal, del alcohol, del aceite y del tetracloruro de carbono. Búscalas en una tabla.

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¿Cómo serán las densidades de las disoluciones acuosas de alcohol y de sal respecto a las densidades del agua, del alcohol y de la sal? Compruébalo con un densímetro.

12. Te proponemos una experiencia que te servirá para identificar distintos tipos de plásticos a

partir de disoluciones acuosas de diferente densidad. En la industria se utiliza este mismo procedimiento para separar diferentes polímeros para su reciclado.

En la tabla adjunta aparecen diferentes tipos de polímeros plásticos, su densidad y los objetos que habitualmente se fabrican con ellos.

Polímero Densidad (g/ cm3) Objetos frecuentes

EPS (poliestireno expandido) PP (polipropileno) LDPE (polietileno baja dens.) HDPE (polietileno alta dens.) PS (poliestireno) PVC (policloruro de vinilo) PET (polireftalato de etilenglicol)

0’02-0’06

0’89-0’91

0’91-0’93

0’94-0’96

1’04-1’11

1’20-1’55

1’38-1’40

- Embalaje de cosas frágiles. - Aislantes térmicos - Cañitas para beber. - Botellas de ketchup. - Tubos de tinta en bolígrafos. - Envoltorios de plásticos. - Botellas de productos de

limpieza (lejía...) - Vasos platos y cubiertos de

“plástico” (algunos son EPS). - Aislantes de cables. - Tuberías de riego. - Cintas de video y audio. - Ropa de tergal.

Busca una muestra de cada uno de estos plásticos. ¿Cómo podrías identificarlos? Un procedimiento sencillo consiste en preparar disoluciones de diferente densidad y observar si las muestras de los plásticos se hunden o no en estas disoluciones. Predice el comportamiento de los plásticos frente a este hecho y completa la siguiente tabla, poniendo en cada casilla una H o una F, en función de que el plástico se hunda o flote en la disolución.

Densidad de las disoluciones (g/cm3) Polímero

0’79 0’91 0’94 1’00 1’15 1’38 PET PVC PS HDPE LDPE PP EPS

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Indica cómo prepararías las disoluciones de diferente densidad si dispones de alcohol ( d = 0’8 g/cm 3), agua ( d = 1 g/cm3) y sal. Prepara estas disoluciones y procede a identificar tus muestras. 13. Newton explica el proceso de disolución a partir de hipótesis corpusculares. En el texto se

hace referencia a la disolución de aceite de vitriolo en agua. Actualmente llamamos ácido sulfúrico a esta sustancia. Estudiaremos el proceso de disolución de algunas sustancias en agua.

- Clasifica las siguientes sustancias según sean o no solubles en agua: cloruro de sodio,

naftalina, sulfato de cobre, nitrato de amonio, ácido sulfúrico, hidróxido de sodio, tetracloruro de carbono, aceite. Añade siempre estas sustancias sobre el agua. ¿Qué otras medidas de seguridad debes adoptar?

- Indica si en cada uno de los casos hay variación apreciable de la temperatura al realizar la

disolución

Indica cómo explica Newton el proceso de disolución de una sustancia en agua. ¿Por qué no todas las sustancias son solubles en agua? El propio Newton hace referencia a muchas otras propiedades del agua que se pueden explicar a partir de las mismas ideas. Veamos otro ejemplo extraído del mismo libro. Si dos láminas de cristal pulimentado (por ejemplo dos trozos de espejo pulimentado) se ponen juntas, de modo que sus lados son paralelos y están a una pequeña distancia uno del otro, si se sumergen entonces en el agua los bordes inferiores, ésta ascenderá entre ellos. Cuanto menor sea la separación entre los cristales, mayor será la altura a la que ascienda el agua. Si la separación es de una centésima de pulgada, el agua ascenderá a la altura de una pulgada y... El agua asciende de manera similar entre dos placas pulimentadas de mármol, cuando las caras pulimentadas son paralelas y están a escasa distancia unas de otras. Además, cuando se sumerge en el agua el extremo de los tubos estrechos, ésta asciende por el interior del tubo. Esa altura será igual a la alcanzada entre las dos láminas de cristal, siempre que el semidiámetro de la sección interior del tubo sea aproximadamente igual a la separación entre las láminas. 14. ¿Cómo denominamos a la propiedad a la que hace referencia Newton? 15. Diseña una experiencia que sirva para estudiar esta propiedad y presentar algunos

resultados cualitativos. 16. ¿Cómo explicas el fenómeno de capilaridad?

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17. La tensión superficial es otra propiedad muy relacionada con la capilaridad. Consulta en un libro qué es la tensión superficial y cómo la explicamos. La tensión superficial explica la forma esférica de las gotas de agua y de mercurio. ¿Por qué es curva la superficie del agua cuando asciende por un tubo? ¿Cómo afecta este hecho a la medida de volúmenes de líquidos con recipientes de vidrio? Llena un vaso con agua hasta el borde. Añade al vaso alfileres. Puedes añadir una gran cantidad de ellos sin que se derrame ni una gota de agua. ¿Puedes explicar a qué es debido? Repite la experiencia añadiendo un poco de jabón o detergente al agua.

18. ¿Qué unidad emplea Newton para medir longitudes? Indica la equivalencia de esta unidad

con la unidad de longitud en el SI. 19. Discute en clase la importancia de que los científicos utilicen las mismas unidades de

medida.

En la comunidad científica la transmisión de información es esencial. Esto requiere la

utilización de notaciones similares e incluso una lengua común. Hoy en día, esta lengua común es el inglés, como lo fue en el pasado el latín. - Las bases de la Química Moderna Robert Boyle dio un gran paso hacia delante en el avance de la Química, pero aún quedaba mucho camino por recorrer para que pudiera desarrollarse como una Ciencia moderna. Será necesario: - Formular leyes cuantitativas. La primera sería la Ley de Conservación de la masa de

Antoine Laurente de Lavoisier (1743-1794), y - Establecer una teoría atómica precisa y concreta, lo que no ocurrirá hasta principios del

siglo XIX, con John Dalton (1766-1844).

Después de la formulación de Antoine Laurent de Lavoisier de la ley de Conservación de la masa, en 1789, se establecieron otras leyes cuantitativas que rigen los procesos químicos. Así, Joseph Louis Proust (1754-1826) enunció, en 1799, la ley de las proporciones definidas, mediante la que determina que siempre que dos elementos reaccionen para dar un mismo compuesto, lo harán en una proporción de masas constante.

Para el caso del agua, la ya citada experiencia de Willian Nicholson y Anthony Carlisle, llevada a cabo en 1800, demuestra que el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno y que el volumen obtenido de hidrógeno es doble que el de oxígeno. Además, la masa de oxígeno obtenida era siempre 8 veces la masa de hidrógeno.

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1. Tu mismo puedes descomponer el agua mediante el mismo procedimiento. Necesitas una fuente de alimentación o una pila, una cubeta o un cristalizador, dos tubos graduados, un electrodo de platino, un electrodo de grafito, cables, agua destilada a la que se le añade unas gotas de ácido sulfúrico para hacerla conductora, sistema de pinzas, nueces, varillas y pies para sujetar los tubos. Procedimiento: Añade al agua destilada unas gotas de ácido sulfúrico y llena la cubeta y los tubos con la disolución resultante. Coloca los tubos tal como indica la figura. Para ello tapa cada tubo lleno con la solución con un dedo, vuélcalo, sumérgelo en la cubeta y después retiras el dedo. Introduce los electrodos de platino y grafito en los tubos. Conecta el electrodo de platino al polo positivo de la fuente de alimentación y el de grafito al negativo. Conecta la fuente de alimentación a un voltaje comprendido entre 4’5 y 9 V. Dependiendo del voltaje, la intensidad de corriente que atraviese la cubeta será mayor, y mayor la velocidad del proceso que va a tener lugar. Anota las condiciones en las que realizas la experiencia. Reconocimiento de los gases. El hidrógeno es un gas inflamable. Si colocas el tubo con hidrógeno boca arriba y acercas una cerilla encendida se producirá una pequeña explosión, por lo que sólo debes hacerlo en presencia de tu profesor. El hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire a altas temperaturas de forma muy rápida y violenta. El oxígeno es imprescindible en los procesos de combustión. Si recoges el oxígeno producido en un recipiente, en el que puedes hacer arder, por ejemplo una vela, la combustión será mucho más rápida. Si utilizas buretas boca abajo como tubos en la electrólisis, la recogida de gases te resultará mucho más fácil. Anota cuáles son las medidas de seguridad que debes adoptar. 2. Haz un esquema del montaje indicando qué gas se obtiene en cada electrodo. 3. ¿Cuál de los gases se obtiene en mayor volumen? 4. ¿En que proporción se obtienen los volúmenes de los gases oxígeno e hidrógeno?

9’0 V

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5. ¿Qué relación existe entre la masa de agua descompuesta y las masas del hidrógeno y del oxígeno producidos?

6. ¿Es el agua un elemento o un compuesto? 7. ¿Con quién reacciona el hidrógeno al ponerlo en contacto con la llama? Escribe la reacción

que tiene lugar.

La cuestión que los científicos se planteaban era por qué, tanto para el caso del agua como

para el de otros compuestos, ocurría esto. El primero en proponer un modelo capaz de ofrecer una explicación a estas y otras leyes cuantitativas fue John Dalton. Veamos unos fragmentos originales correspondientes a la obra de Dalton A New System of Chemical Philosophy, publicado en 1808. ...En el agua tenemos un caso usual de un cuerpo que en ciertas circunstancias puede adquirir cualquiera de dichos tres estados. En el vapor hallamos un fluido perfectamente elástico, en el agua un líquido perfecto, y en el hielo un sólido completo. Estas observaciones han llevado tácitamente a la conclusión, al parecer universalmente aceptada, que todos los cuerpos de magnitud sensible, ya sean sólidos o líquidos están constituidos por un inmenso número de partículas pequeñas en extremo o átomos de materia unidos entre sí por la fuerza de atracción, la cual es más o menos poderosa según la circunstancia. El conocer si las últimas partículas de una sustancia como el agua, son todas iguales entre sí, es decir, poseen la misma forma, el mismo peso, etc., es una cuestión de la mayor importancia. Por lo que sabemos no tenemos ningún fundamento para suponer una diversidad al respecto. Si esto sucede para el agua lo mismo debe suceder para los elementos de los cuales consta el agua, llamados hidrógeno y oxígeno... En otras palabras, cualquier partícula de agua es exactamente igual a otra partícula de agua, cualquier partícula de hidrógeno es igual a cualquier otra partícula de hidrógeno, etc... El modelo atómico que propuso Dalton para explicar la constitución de la materia es estático, es decir, suponía que las partículas estaban esencialmente en reposo, como postulaba Newton en su modelo. Según Dalton, cada átomo estaba rodeado de una capa de calórico. Las variaciones de volumen que experimentaba un gas, suponían variaciones de volumen en la capa de calórico que rodeaba el átomo, ya que estaban en contacto las capas de calórico de los diferentes átomos, no existiendo huecos entre ellos. De todo esto podemos deducir que el volumen de los átomos era el que determinaba el volumen de la sustancia. 8. Indica en qué ideas se basa Dalton para explicar la naturaleza de la materia. 9. ¿Cuáles son sus argumentos? 10. Representa mediante un modelo un gas tal como lo concebían Newton, Boyle y Dalton.

Representa el mismo gas comprimido.

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11. Newton tuvo mucha influencia sobre el pensamiento de Dalton y sobre el de muchos otros científicos, dada la relevancia de su figura en el mundo de la Ciencia. ¿La influencia de unos científicos sobre otros, es positiva para la Ciencia? Discútelo con tus compañeros. ¿Conoces otros casos en la historia de la Ciencia?

El modelo atómico de Dalton, enunciado en 1808, propone de forma simplificada que: - Las sustancias simples están formadas por átomos simples indivisibles. Los átomos de

diferentes sustancias son diferentes en masa y en sus demás propiedades. - Los compuestos están formados por átomos compuestos, formados a su vez por la

combinación más sencilla posible de átomos simples (aplicando lo que se conoce como principio de simplicidad).

Para Dalton, el agua está compuesta por átomos de agua. Los átomos de agua son átomos

compuestos y estarán formados por un determinado número de átomos simples de hidrógeno y otro número de átomos simples de oxígeno. La cuestión es por cuántos. Pero veamos, a partir de otro texto original de Dalton, cuál era para él la fórmula del agua. Tomemos el ejemplo del agua; el agua se compone de 1 peso de hidrógeno (tomado como unidad) y 8 pesos de oxígeno; su fórmula es, pues, (HO). 12. ¿Qué fórmula propone Dalton para expresar la composición del agua? 13. Representa mediante un modelo la formación de agua según la teoría de Dalton. 14. En la época de Dalton no se conocían las masas de los átomos, se establecían a partir de

las fórmulas que se proponían para las diversas sustancias. Considerando, tal como indica Dalton, como unidad el peso (la masa, decimos ahora con mayor corrección) de un átomo de hidrógeno, ¿cuál sería la masa de un átomo de oxígeno si la fórmula del agua fuese HO? ¿cuál sería la masa de un átomo de oxígeno si la fórmula del agua fuese H2O?

15. Sabiendo que en la descomposición del agua oxigenada se obtiene 1 g de hidrógeno por

cada 16 g de oxígeno, ¿cuál sería para Dalton la fórmula del agua oxigenada, aceptando HO como fórmula para el agua?

Otra cuestión importante de observar es la nomenclatura. Hasta el siglo XVIII, los

símbolos y nomenclaturas eran confusos. Se empleaba la simbología alquímica que, en muchas ocasiones, más que clarificar pretendía desorientar. Los nombres de algunos compuestos eran: lana filosófica (óxido de cinc), azafrán de Marte (óxido férrico), agua blanca (mercurio), aceite de vitriolo (ácido sulfúrico), etc.

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En 1787, varios químicos de la época, entre ellos Lavoisier, proponen el primer sistema de nomenclatura en un libro titulado Méthode de Nomenclature Chimique. Dalton imaginó la primera representación simbólica relacionada con las combinaciones de los átomos para generar las sustancias. A cada elemento correspondía un símbolo que representaba un átomo simple. Los símbolos son círculos con algún distintivo en su interior. La fórmula de un compuesto se escribía yuxtaponiendo tantos símbolos como átomos de cada elemento entraran en la constitución del átomo compuesto. La notación de Dalton no fue usada por ninguno de sus contemporáneos.

Jöns Jacob Berzelius, algunos años más tarde de la propuesta de Dalton, escogió como

símbolo de cada elemento la primera letra de su nombre latino, junto con una segunda letra en caso de poder existir confusión (Dalton usaba también letras como distintivo de los círculos que correspondían a cada elemento) y se le ocurrió el uso de subíndices numéricos para evitar la repetición de una misma letra. Así nació la notación moderna. Para Berzelius la fórmula del agua era HO.

Código de Marcianus (s. I a. C.)

Sulfato Piedra Arsénico Sal Amoníaco De cobre rojo Símbolos usados por los alquimistas (Edad Media)

Oro Plata Hierro Cobre Plomo Estaño Mercurio Símbolos usados por Dalton (s. XVIII)

Oxígeno Hidrógeno Nitrógeno Azufre Oro Agua Dióxido de azufre

ÁTOMOS SIMPLES ÁTOMOS COMPUESTOS

Hidrógeno Nitrógeno Carbono Oxígeno Fósforo Azufre

Magnesia Cal Sosa Potasa Estroncita Barita

Agua Amoníaco Gas nitroso (óxido nítrico)

Gas olefiante óxido carbónico óxido nitroso (etileno) (dióxido de carbono)

Ácido nítrico Hidrógeno carburado Ácido carbónico (dióxido de nitrógeno) (metano)

Ácido oxinítrico Ácido sulfúrico Ácido nitroso

Ácido acetoso (ácido acético)

Hierro Cobre Plomo Plata Oro Mercurio

Simbología de Dalton para los átomos simples y los

átomos compuestos

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16. En la figura anterior, ¿cuál de las fórmulas corresponde al agua según la teoría de

Dalton?¿Y al amoníaco? 17. ¿Cuál sería la fórmula del agua oxigenada? Representa la fórmula de otros compuestos

que conozcas usando la misma nomenclatura.

La reacción de formación del agua a partir de hidrógeno y oxígeno, a la que hace referencia Dalton en el texto anterior, fue estudiada por Joseph Louis Gay-Lussac en 1808. Esquemáticamente, podemos representar el proceso como: + → 2 volúmenes de hidrógeno + 1 volumen de oxígeno → 2 volúmenes de vapor de agua

Encontró además otras relaciones semejantes que se producían en reacciones entre gases, enunciando, de forma general, que cuando los gases reaccionan, sus volúmenes se encuentran en relación de números enteros y sencillos. En este caso 2:1:2. Pero Dalton, realmente, no aceptó los datos de Gay-Lussac porque no se podían explicar a partir de los postulados de su Teoría Atómica ni con su modelo estacionario para explicar el comportamiento de los gases. Si para Dalton el volumen de un gas depende del volumen de las partículas que lo constituyen, el volumen del agua formada a partir del hidrógeno y del oxígeno, debería ser mayor que el volumen de oxígeno.

Debido a esta incoherencia entre los datos experimentales y su teoría, Dalton se dedicó a criticar los datos experimentales de Gay-Lussac y los procedimientos químicos que había empleado para obtener estos datos. Los errores experimentales, inherentes a toda medida, provocaban que las relaciones volumétricas obtenidas por Gay-Lussac no estuviesen en una relación exactamente entera. Dalton lo achacaba a que esto último realmente no ocurría y mantenía que si no había acuerdo entre la experimentación y su teoría era porque los resultados de la experimentación eran incorrectos.

Actualmente, cuando no hay concordancia entre teoría y experimentación (después de

revisar los datos experimentales cuidadosamente), se revisan las teorías y se modifican o se sustituyen por otras.

Hoy sabemos que Gay-Lussac era mejor experimentador que Dalton. A pesar de esto nadie pone en duda las grandes aportaciones de Dalton al avance de la química. Las discrepancias entre los datos experimentales y la teoría de Dalton no hicieron dudar de la naturaleza atómica de la materia, aunque sí era patente la necesidad de modificar sus postulados, modificaciones que no tardaron mucho en llegar, aunque sí en aceptarse.

Amadeo Avogadro (1776-1856) presentó en 1811 un trabajo en el que, aceptando los datos de Gay-Lussac, demostró que estos eran compatibles con las ideas fundamentales de Dalton. En el modelo que presentó para los gases, consideraba estas sustancias constituidas

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por moléculas (agrupaciones de átomos) que se encontraban a una distancia mucho mayor que su propio tamaño, de modo que volúmenes iguales de cualquier gas, en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas.

Consideró además los gases hidrógeno y oxígeno formados por moléculas diatómicas, en lugar de estar formados por átomos simples. En el dibujo se representa un mismo volumen de hidrógeno y otro oxígeno, según el modelo de Amadeo Avogadro. 18. Si se admiten estos enunciados como ciertos, la proporción en la que reaccionan los volúmenes de los gases hidrógeno y oxígeno, para dar agua, nos conduce directamente a la fórmula del agua. Tu mismo podrás deducirla. Puedes ayudarte de un modelo mecánico. Si reacciona el doble de volumen de hidrógeno que de oxígeno, ¿qué proporción existirá entre las moléculas de hidrógeno y de oxígeno? ¿Y entre los átomos de hidrógeno y de oxígeno? Dibuja un determinado número de moléculas de oxígeno, que ocuparán un volumen V, y el número de moléculas de hidrógeno que ocupan un volumen doble al anterior.

Si durante el proceso no se crea ni se destruye ningún átomo, ¿podrá el agua tener el mismo número de átomos de hidrógeno que de oxígeno? ¿En que proporción se encontrarán los átomos de hidrógeno y oxígeno en la molécula de agua? ¿Cuál debe ser la fórmula del agua? Dibuja las moléculas de agua que corresponden a un volumen 2V.

Gas hidrógeno Gas oxígeno

1 volumen de oxígeno 2 volúmenes de hidrógeno

2 volúmenes de agua

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Aceptando las hipótesis de Avogadro, no existe discrepancia entre la experimentación y la teoría. No obstante, las ideas de Avogadro tardaron en aceptarse unos cincuenta años, no sólo porque Amadeo Avogadro no era un químico de la talla de Dalton, sino también porque no supo hacerse entender, debido fundamentalmente a la presentación confusa de su trabajo y a que mezclaba las ideas expuestas con otras más atrevidas que resultaron erróneas.

Hoy día, la hipótesis de Avogadro se encuentra totalmente confirmada, por lo que

podemos elevarla a la categoría de ley.

Recordamos las ideas más importantes sobre cómo se ha considerado el agua a lo

largo de la historia de las ciencias: Los antiguos pensaban que el agua era uno de los cuatro elementos (agua, tierra, aire y

fuego). El símbolo por el que la conocían era ∇∇. En 1781, Cavendish consiguió agua al quemar hidrógeno en el aire: el agua era un

compuesto. En 1800, Nicholson y Carlisle logran la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno.

John Dalton , en 1808, le asignó la fórmula (⁄ era el símbolo del hidrógeno y ϒ

el del oxígeno). Berzelius la cambió a HO. Avogadro, en 1811, sugirió que era H2O. Años después, en 1858, se le concedió al agua la fórmula hoy aceptada, H2O.

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18. Completa este cuadro que hace referencia a cómo se ha considerado el agua a lo largo de

la historia.

Época Científicos o pensadores y sus contribuciones

Concepciones destacadas en la

época

Ideas sobre el agua

Acontecimientos históricos

Personajes destacados

Tales de Mileto

Empédocles

Aristóteles

Demócrito

Edad Antigua. Griegos y romanos.

VII a.C. –IV d.C.

Lucrecio

Edad Media. La Alquimia s. V-XV

Van Helmont

Robert Boyle La transición

hacia el pensamiento

moderno s. XVI-XVII Isaac Newton

Cavendish y Priestley

Lavoisier

Proust

Volta

Nicholson y Carlisle

Dalton

Gay Lussac

Las bases de la química moderna

s. XVIII-XIX

Avogadro

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LAS PROPIEDADES DEL AGUA Y DE SUS DISOLUCIONES

A medida que hemos hecho una revisión sobre cómo se ha concebido el agua a lo largo de la historia de la Ciencia, hemos podido estudiar algunas propiedades del agua y de sus disoluciones. 1. Completa el siguiente cuadro sobre las propiedades del agua.

Densidad

Puntos de fusión y ebullición

Calor específico

Propiedades físicas características

Actúa como disolvente

Tensión superficial Otras propiedades físicas

Capilaridad

Propiedades químicas

Descomposición

2. Compara las propiedades del agua con las propiedades de sus disoluciones. 3. Busca en una tabla y compara el calor específico del agua con el calor específico de otras

sustancias. Una propiedad importante en los procesos biológicos Una propiedad muy interesante de las disoluciones acuosas separadas por una membrana semipermeable es el fenómeno de ósmosis. Consiste en el paso neto de moléculas de agua a través de la membrana, desde la disolución de menor concentración a la de mayor concentración. Es muy importante en muchos procesos biológicos. Las raíces de las plantas absorben agua por ósmosis y, mediante el mismo proceso, las células intercambian sustancias con el medio que las rodea.

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4. Introduce un gajo de uva en agua y otro en una disolución salina. Déjalos durante una

semana. ¿Qué diferencias observas entre ambos? ¿A qué es debido?

5. Cuando una planta de maceta es regada con agua salada se vuelve mustia. ¿A qué se debe? 6. Al dejar anchoas en salmuera demasiado tiempo se observa que han encogido y están muy

secas. ¿Por qué sucede esto? 7. ¿Por qué el salado es un método de conservación de los alimentos? 8. ¿Por qué los peces de agua salada se mueren si se introducen en agua dulce? EL AGUA Y LA SALUD El agua es una sustancia imprescindible en nuestra vida. Una persona puede pasar muchos días sin comer, pero muy pocos sin beber. Necesitamos agua para absorber y digerir los alimentos, para eliminar los desechos, para lubrificar las articulaciones y los ojos, para mantener la elasticidad y consistencia de nuestros tejidos, para regular la temperatura, etc.

1. Si no ingerimos suficiente cantidad de agua corremos el peligro de deshidratarnos. Este riesgo aumenta en verano y tras exposiciones prolongadas al sol. Perder el 20 % de agua del organismo puede llevar a la muerte. ¿Cómo aportamos a nuestro organismo el agua que necesita? Propón medidas para prevenir la deshidratación.

El agua presente en la naturaleza no es pura, ni siquiera el agua de lluvia, que contiene

una gran cantidad de sustancias disueltas. Puesto que el agua que bebemos no es pura, para que pueda ser consumida debe cumplir ciertos requisitos. En la tabla te ofrecemos la composición que debe tener el agua potable.

Sustancia Concentración

máxima permitida (mg/L)

Cloruro Sulfato Nitrato Nitrito Amonio Hierro Plomo Residuo seco

200’0 250’0 50’0 0’1 0’5 0’2 0’05

1.500’0

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2. Comenta el significado de los valores que aparecen en la tabla. 3. El agua destilada, ¿es apta para el consumo humano? ¿Por qué?

Son numerosos los adjetivos que habitualmente le damos al agua. Algunos relacionados con su composición son los siguientes:

- Mineral: procedente de un manantial. Tiene una composición constante de sales minerales

y oligoelementos. Algunas aguas embotelladas no se obtienen de manantiales, son “agua de grifo” sometidas a procesos de esterilización e ionización para hacerlas más agradables al gusto.

- Ligera: con baja concentración en sales minerales. - Destilada: libre de sales minerales debido a que ha sido sometida a un proceso de

destilación. - Gorda: que contiene mucho yeso. - Dura: con alta concentración de calcio y magnesio. - Blanda: con baja concentración de calcio y magnesio.

Las aguas duras parecen ser más saludables para el consumo que las aguas blandas debido al aporte de calcio y magnesio, con la salvedad que deben evitar su consumo las personas con cálculos renales. El principal inconveniente que presentan es que cuando se usa agua dura caliente, deja depósitos blancos, que pueden estropear las conducciones y los electrodomésticos. Además, las aguas duras requieren un mayor gasto de jabón para que éste sea eficaz. 4. Averigua por qué el agua caliente produce depósitos blancos. 5. ¿Se pueden usar aguas duras en las calderas? La dureza debida a los bicarbonatos de calcio y magnesio se denomina dureza temporal porque puede eliminarse por ebullición del agua.

Ca2+ (aq) + 2 HCO3

– (aq) → CaCO3 (s) ↓ + H2O (l) + CO2 (g) O añadiendo hidróxido de calcio,

Ca(HCO3)2 (aq) + Ca(OH)2 (aq) → 2 CaCO3 (s) ↓ + 2 H2O (l)

La dureza debida a otras sales de calcio y magnesio que continúan disueltas en agua

después de hervirla, se denomina dureza permanente. Se elimina añadiendo carbonato de sodio,

CaSO4 (aq) + Na2CO3 (s) → CaCO3 (s) ↓ +→ CaCO3 (s) ↓ + Na2SO4 (aq)

A la suma de la dureza temporal y la dureza permanente se le denomina dureza total.

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6. Diseña una experiencia que te permita detectar la dureza temporal y permanente del agua. Nota: Para detectar la dureza permanente se puede añadir 0’5 g de Na 2CO3 por cada 100 cm3 de agua. Antes de filtrar la mezcla final, es necesario dejarla reposar hasta que el carbonato de calcio sedimente. Los depósitos de carbonato de calcio de los recipientes se pueden limpiar con una disolución diluida de ácido clorhídrico o con una disolución de ácido acético en caliente.

Una forma de clasificar las aguas según su dureza se basa en las reacciones entre el

jabón y las sales de calcio y magnesio. Son las mismas reacciones responsables de que las aguas duras requieran mayor gasto de jabón. Cuando a una disolución que contiene una sal de calcio (CaX2) y magnesio (MgX2) se le añade una disolución jabonosa (NaR o KR), se forman sales insolubles de calcio y magnesio (CaR2 y MgR2). Sólo cuando se han consumido las sales de calcio y magnesio, queda jabón libre en la disolución para formar espuma permanente. 7. Escribe algunas reacciones entre sales de calcio o magnesio con jabón. 8. Diseña una experiencia que te permita clasificar aguas de diferente procedencia según su dureza. Notas: Para preparar la disolución jabonosa, mezcla medio litro de agua, medio litro de alcohol y 5 g de jabón blanco. Para medir con precisión la cantidad de jabón que reacciona con las sales de calcio y magnesio presentes en el agua, necesitas una bureta. Se puede considerar que todas las sales de calcio y magnesio se han consumido cuando la espuma formada por el jabón permanece durante medio minuto. EL AGUA, ¿UN PROBLEMA SOCIAL? El agua es un recurso natural limitado y escaso, de vital importancia para el mantenimiento de los ecosistemas y el desarrollo de la actividad humana. Por ello, es necesario emplearla con la mayor eficacia posible, con absoluto respeto hacia el medio ambiente y satisfaciendo plenamente las necesidades reales de las personas.

A pesar de que en nuestro planeta existen 1.354 millones de km3 de agua, el 97% está

en los mares, otro 2% está inmovilizado en los casquetes polares y sólo el 1% está a nuestra

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disposición en forma de agua dulce en pantanos, lagos, ríos, acuíferos... Además, la distribución de agua dulce es muy desigual. Mientras que en algunas zonas de la Tierra es muy abundante, otras sufren sequía permanente o temporal.

En el mundo existen muchas zonas subdesarrolladas donde hay gran escasez de agua potable y escaso o nulo control sobre el agua que se consume, lo que lleva a veces a la propagación de muchas enfermedades.

En las zonas desarrolladas. A menudo, el agua se ha gestionado como si fuese un bien

ilimitado. Prácticamente la única medida para el aprovisionamiento de agua ha sido la construcción de embalses, como si esto garantizase su llenado. Actualmente, para asegurar el abastecimiento permanente de agua, se tiende a seguir otras líneas de actuación, entre ellas: - Frenar el calentamiento global del planeta. El previsible aumento de las temperaturas en

nuestro planeta puede provocar cambios irreversibles debido a que aumentaría la evaporación de agua superficiales, disminuiría la humedad ambiental y afectaría a la existencia de muchas especies.

- Luchar contra la erosión provocada por la deforestación. La erosión de los terrenos

disminuye la infiltración de agua en los suelos, disminuyendo así la capacidad de los acuíferos subterráneos y desnuda a los suelos de sus capas más fértiles.

- Protección de la calidad de las aguas. Las actividades industriales han contribuido durante

años a la contaminación de aguas superficiales y subterráneas. Afortunadamente cada vez son más las medidas tomadas al respecto ya que la contaminación no es un tributo que haya que pagar por el desarrollo. Pero aún queda mucho camino por recorrer. Son necesarios planes de prevención, evitar muchos de los vertidos actuales y construir un mayor número de depuradoras.

- Mantener los caudales mínimos en los periodos de sequía para proteger la flora y la fauna

de las zonas afectadas. - Frenar la demanda de agua para que no se encuentre por encima de los recursos

disponibles. - Mejorar el aprovechamiento del conjunto de los sistemas hidráulicos, consiguiendo una

explotación apropiada de las aguas subterráneas y superficiales. - Mejorar el uso del agua haciendo frente al despilfarro, favorecer el ahorro, etc. 1. ¿Cuánta agua dulce, expresada en metros cúbicos, existe en nuestro planeta? ¿Toda esta

agua es apta para el consumo? ¿Está uniformemente distribuida? 2. ¿Qué esta provocando el calentamiento del planeta? Relaciónalo con la conservación y

degradación de la energía. 3. Existen zonas, como Andalucía, que sufren periódicamente épocas de sequía. ¿Sería

apropiado que la mayoría de los cultivos fuesen de regadío? ¿Cuál es la situación actual de los cultivos?

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4. ¿Qué sucesos están provocando la deforestación de los bosques? ¿Y la desertización? 5. ¿La Ciencia ha provocado el deterioro del medio ambiente? 6. Elabora un decálogo de medidas que favorezcan la disminución del consumo de agua en

el hogar. En 1968 se redactó en Estrasburgo, Francia, la “Carta Europea del agua”. La carta es una

declaración de principios y debería ser la referencia para la elaboración de normativas sobre el uso del agua. Sus puntos fundamentales son:

1. No hay vida sin agua. El agua es un bien precioso, indispensable para todas las

actividades humanas. 2. El agua puede agotarse. Es indispensable conservarla, controlarla y, si es posible,

aumentar su cantidad. 3. Alterar la calidad del agua significa atentar contra la vida de los hombres y del

resto de los seres vivos que dependen de ella. 4. La calidad del agua ha de mantenerse en condiciones de satisfacer las exigencias

de la salud pública. 5. La depuración del agua utilizada es imprescindible para no comprometer los usos

posteriores. 6. Los vegetales, especialmente los árboles, son necesarios para la conservación de

los recursos del agua. 7. Los recursos de agua han de ser inventariados. 8. Las autoridades competentes deben planificar la correcta utilización de los

recursos hidráulicos. 9. Para la conservación de los recursos hidráulicos es necesario un importante

esfuerzo de investigación científica, de formación de especialistas y de información pública.

10. El agua es un patrimonio común, cuyo valor todos tienen que conocer. Cada

persona tiene el deber de ahorrarla y de usarla con cuidado. 11. La gestión de los recursos hidráulicos debe llevarse a cabo en el marco de la

cuenca natural, preferentemente al de las fronteras administrativas y políticas.

12. El agua no tiene fronteras. Es un bien común que requiere la cooperación

internacional.

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7. Enumera las principales ideas que sobre el agua contiene la carta. 8. ¿Qué significa el punto séptimo de la carta? 9. ¿Crees que actualmente se está cumpliendo lo que demanda la carta?

La actual escasez de agua en determinadas zonas, situación que parece que va a

mantenerse independientemente de los niveles de precipitación dado el incremento de la demanda y la escasa eficiencia en la utilización del agua, ha promovido la construcción de plantas desalinizadoras. Existen dos procedimientos básicos para desalar el agua de mar:

- La ósmosis inversa, que consiste en comprimir el agua de mar contra una membrana

semipermeable que permite el paso de moléculas de agua y no el de los iones. - La evaporación, que consiste en calentar agua de mar hasta su ebullición, alejar el vapor

de la zona de evaporación y enfriarlo para obtener agua líquida. 10. Diseña una experiencia que te permita desalinizar agua de mar. 11. Desaliniza agua de mar y determina su concentración salina. 12. ¿Existes salinas en la región donde vives? Si es así, infórmate sobre algunas. 13. ¿Existe depuradoras en tu zona o se proyecta la construcción de alguna? 14. Infórmate sobre los procesos que se llevan a cabo en una depuradora. 15. Lee la siguiente noticia aparecida un periódico nacional en noviembre del año 2000 y

contesta las preguntas que se formulan a continuación.

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De los parámetros que sobrepasan los valores permitidos, ¿cuáles son químicos y cuáles microbiológicos? ¿En qué se diferencian los tratamientos químicos y biológicos a los que se someten el agua residuales? ¿Cuáles son los motivos de la deficiencia en la calidad de las aguas antes de ser tratadas en las depuradoras? ¿Qué es el agua no registrada? ¿Por qué es importante registrarla?

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