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Propiedades Físicas y Químicas del Aguas

Casi todas las propiedades físicas  del agua se deben a la existencia del puente o enlace de hidrógeno  en el estado sólido y líquido. Algunas propiedades físicas son: Densidad; tensión superficial; punto de ebullición; punto de fusión; calor específico

1. DENSIDAD DEL AGUA

La densidad del agua líquida sobre 0ºC es mayor que la del hielo. En estado líquido aumenta hasta alcanzar su valor máximo exactamente exactamente a 3,98 °C.

Estructura ordenada en el hielo

el agua del fondo queda protegida térmicamente del exterior, y puede alcanzar los 4º o 5ºC, que son suficientes para la supervivencia de ciertas especies

ESTADOS DEL AGUA

2. TENSIÓN SU SUPERFICIAL Se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie

Las fuerzas de tensión superficial tienden a minimizar la energía en la superficie del fluido haciendo que estas tengan una tendencia a una forma esférica.

3. Cap apac acid idaad ca calo lorí ríffica, ica, Calo Calorr esp espe ecífic ífico o y calor latente del agua

El calor específico,  específico,  Ce, de una sustancia es la capacidad calorífica por unidad de masa.

El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por mol.

Ejemplo La energía requerida para aumentar la temperatura de 0,50 kg de agua en 3 oC es: q = mxCexΔT = (0,50 kg)(4,186 kJ/kgxoC)(3 oC) = 6279 kJ. Donde Ce = 4,186 kJ/kgxoC = 4,186 J/gxoC = 1 cal/gxoC

CALORES ESPECÍFICOS DE ALGUNAS SUSTANCIAS  A 25 oC Y PRESIÓN PRESI ÓN ATMOSFÉRI ATMOSFÉRICA CA Calor específico Sustancia

J/kg.oC

Cal/g.oC

900 1830 230 387 322 129 448 128 703 234

0,215 0,436 0,055 0,0924 0,077 0,0308 0,107 0,0305 0,168 0,056

380 837 2090 860 1700

0,092 0,200 0,50 0,21 0,41

2400 140 4186

0,58 0,033 1,00

2010

0,48

Sólidos elementales

 Aluminio Berilio Cadmio Cobre Germanio Oro Hierro Plomo Silicio Plata Otros sólidos

Latón Vidrio Hielo (-5 C) Mármol Madera °

Líquidos

 Alcohol (etílico) Mercurio  Agua (15 C) °

Gas

Vapor (100 C) °

Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman cambios de fase. fase. La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia pura es q = mL

Donde L es el calor latent latente e (calor oculto) de la sustancia. Existen dos tipos de calor latente: L f  – calor latente de fusión Lv  – calor latente de vaporización vap orización

Algunos calores latentes latentes Sustancia

Punto de fusión ( C)

Calor latente de fusión (J/kg)

Punto de ebullición (oC)

Calor Latente de vaporización (J/kg)

Helio

-269,65

5,23x10 5

-268,93

2,09x10 4

 Nitrógeno

-209,97

2,55x10 4

-195,81

2,01x10 5

Oxígeno

-218,79

1,38x104

-182,97

2,13x105

Alcohol etílico

-114

1,04x10 5

78

8,54x10 5

Agua

0,00

3,33x10 5

100,00

2,26x10 6

Azufre

119

3,81x10 4

444,60

3,26x10 5

Plomo

327,3

2,45x10 4

1750

8,70x10 5

660

3,97x105

2450

1,14x107

Plata

960,80

8,82x10 4

2193

2,33x10 6

Oro

1063,00

6,44x10 4

2660

1,58x10 6

1083

1,34x10 5

1187

5,06x10 6

°

Aluminio

Cobre

Gráfica de la temperatura contra la energía térmica añadida cuando 1 g inicialmente a  –30 oC se convierte en vapor a 120 oC. Se calienta el vapor

T(oC) Se evapora el agua

120 100

E D

Se calienta el agua

Vapor C

50

Agua + vapor

Se funde el hielo

B

0 Se calienta el hielo

A

-30

Agua

Hielo + agua

62,7 Hielo

395,7

814,7

3074,7

4. PUNTO DE EB EBULLICIÓN El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor iguala a la presión atmosférica. Por ejemplo, a nivel del mar la presión atmosférica es de 1 atm o 760 mmHg, el punto de ebullición del agua a esta presión será de 100°C porque a esa temperatura la presión de vapor alcanza una presión de 1 atm.

A temperaturas inferiores al punto de ebullición sólo ebullición sólo una pequeña fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y superficial y escapar. Al llegar al punto de ebullición  ebullición  la mayoría de las moléculas es capaz de escapar desde todas partes del cuerpo, no solo la superficie. La temperatura se mantiene constante  constante  durante todo el proceso de ebullición, y el aporte de más energía sólo produce que aumente el número de moléculas que escapan del líquido.

5. PUNTO DE FUSIÓN El punto de fusión es fusión es la temperatura a la cual el estado sólido y el estado líquido de una sustancia, coexisten en equilibrio térmico, a una presión de 1 atmósfera. Para el agua esta temperatura es 0 °C.

Fusión y Ebullición

Líquido comprimido y líquido saturado Considere un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene agua líquida a 20 oC y 1 atm de presión. En estas condiciones el agua existe en fase líquida y se denomina líquido comprimido o líquido subenfriado , es decir, no está a punto de evaporarse.

Conforme se transfiere más calor, la temperatura aumenta hasta alcanzar 100 oC, punto en que el agua todavía permanece líquida, pero cualquier adición de calor hace que se vaporice algo de agua; es decir, está a punto de tener lugar un proceso de cambio de fase de líquido a vapor. Un líquido que está a punto de evaporarse se llama líquido saturado.

Vapor saturado y vapor sobrecalentado Un vapor que está a punto de condensarse se llama vapor saturado

vapor húmedo o una mezcla saturada de líquido-vapor 

Un vapor que no está a punto de condensarse (es decir, no es vapor saturado) se denomina vapor sobrecalentado

TEMPERATURA DE SATURACIÓN Y PRESIÓN DE SATURACIÓN El agua hierve a 100 oC El agua hierve a 100 oC a 1 atm de presión La única razón por la que el agua comenzó a hervir a 100 oC fue porque la presión se mantuvo constante a 1 atm (101,325 kPa). Si se leva la presión dentro a 500 kPa, el agua empezaría a hervir a 151,8 oC. La temperatura a la cual comienza a hervir el agua depende de la presión, si la presión es constante, sucede lo mismo con la temperatura de ebullición.  A una determinada presión, la temperatura a la que una sustancia cambia de fase se llama temperatura de saturación , Tsat.  A una temperatura determinada, la presión a la que una sustancia cambia de fase se llama presión de saturación, Psat

 A una presión de 101,325 kPa, Tsat es de 99,97 oC; mientras que a una temperatura de 99,97 oC, Psat es de 101,325 kPa.

En la cocina, temperaturas de ebullición más altas significan tiempos de cocción más cortos y ahorros de energía.

DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA PROCESOS DE CAMBIO DE FASE 1 MPa

Diagrama T-v

8 MPa

15 MPa

El punto crítico es en el que los estados de líquido saturado y de vapor saturado son idénticos.

Diagrama P-v

En fase sólida

Se contrae al congelarse

Se expande al congelarse

Diagrama P-T o diagrama de fases

diagrama P-v-T

PROPIEDADES QUÍMICAS

La molécula de agua (H2O) tiene un enlace covalente con una cierta asimetría que le confiere una cierta polaridad, por lo cual tiene carácter dipolar. Las moléculas de agua se unen entre sí mediante enlaces de tipo puente de hidrógeno.

El agua es el solvente universal porque forma puentes de hidrógeno

Alcohol

Alcohol + Agua

Amina + Agua

Éter + agua

Cetona + Agua

CONTENIDO ISOTÓPICO DEL AGUA Fórmulas isotópicas del agua Los isótopos del hidrógeno son: 1H Protio 99,984% 2H Deuterio 0,015% 3H Tritio 10-14 - 10-16 % (radioactivo) Los del oxígeno: 16O 99,76% 17O 0,037% 18O 0,1% Otros elementos que suele presentar disueltos el agua son: Carbono: 12C 98,89% 13C 1,11% 14C 10-10% (radioactivo)

Azufre: 32S 33S 34S 36S

95,02% 0,75% 0,421% 0,02%

Como el agua cuenta con los isótopos de hidrógeno y oxígeno, existen de esta forma, junto a la forma esencial del gua, H2O, el agua pesada, D2O, el agua hiperpesada, T2O y el agua semipesada HDO. A esto hay que añadir también la existencia de tres isótopos del oxígeno, O16, O17 y O18, y tres isótopos del hidrógeno, 1H, 2H o D (Deuterio) y 3H o T (Tritio) con lo que el líquido que comúnmente llamamos agua se trata de una mezcla de 18 cuerpos posibles, aunque en la práctica sea una mezcla de agua ligera (H2O) y de muy pequeñas cantidades de agua pesada y agua hiperpesada.