En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Cómo hacen las propiedades del agua posible la vida en la Tierra?
Todos los seres vivos necesitan agua, y la mayor parte de la masa de una célula viva es agua. En esta lección verás cómo la forma de una molécula de agua le da al agua sus propiedades especiales. Al final, deberías poder usar la polaridad y los puentes de hidrógeno para explicar la cohesión, la adhesión, la disolución, el calor específico y por qué el hielo flota.
Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
El agua es una molécula polar
- El oxígeno atrae los electrones compartidos con más fuerza que el hidrógeno
- El extremo del oxígeno es parcialmente negativo (δ−)
- Los extremos de hidrógeno son parcialmente positivos (δ+)
- Puente de hidrógeno: el H δ+ de una molécula atrae al O δ− de otra
Una molécula de agua (H2O) es angular, con el átomo de oxígeno en el centro. El oxígeno atrae los electrones compartidos hacia sí, así que el extremo del oxígeno tiene una pequeña carga negativa (δ−) y los extremos de hidrógeno tienen pequeñas cargas positivas (δ+). Una molécula con extremos cargados como esta se llama polar. El hidrógeno δ+ de una molécula de agua es atraído por el oxígeno δ− de una vecina. Esta atracción débil es un puente de hidrógeno, y explica casi todas las propiedades de esta lección.
Cohesión y adhesión
- Cohesión: el agua se pega al agua
- Adhesión: el agua se pega a otras superficies
- Tensión superficial: cohesión en la superficie
- Acción capilar: el agua sube por tubos estrechos
Los puentes de hidrógeno mantienen unidas las moléculas de agua entre sí, lo que se llama cohesión. La cohesión en la superficie produce tensión superficial, lo bastante fuerte para que un zapatero de agua camine sobre un estanque. El agua también se pega a otras superficies polares, como el vidrio y las paredes de las células vegetales, lo que se llama adhesión. En un tubo estrecho, la adhesión jala el agua hacia arriba por las paredes y la cohesión arrastra el resto del agua. Esta acción capilar ayuda a subir el agua por los delgados tubos del xilema dentro de las plantas. Mientras más estrecho es el tubo, más sube el agua.
El agua disuelve muchas sustancias
- Las sustancias polares e iónicas se disuelven en agua
- Los extremos δ− rodean a los iones +; los extremos δ+ rodean a los iones −
- La sangre y la savia de las plantas transportan nutrientes disueltos
- El aceite es no polar, así que no se disuelve
Cuando la sal de mesa (NaCl) entra en el agua, las moléculas de agua separan los iones. Los extremos de oxígeno δ− miran hacia cada ion Na+, y los extremos de hidrógeno δ+ miran hacia cada ion Cl−. Como el agua disuelve tantas sustancias polares e iónicas, puede transportar azúcares, sales y otros nutrientes por la sangre y la savia de las plantas, y es donde ocurren la mayoría de las reacciones químicas de una célula. Las sustancias no polares como el aceite no tienen extremos cargados que el agua pueda atraer, así que no se disuelven.
El agua resiste los cambios de temperatura
- Calor específico alto: el agua se calienta y se enfría despacio
- La energía agregada se usa para romper puentes de hidrógeno
- Los océanos mantienen templados los climas costeros
- El agua del cuerpo mantiene estable la temperatura corporal
El calor específico es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de 1 g de una sustancia. El calor específico del agua es muy alto, porque gran parte de la energía que se le agrega se usa para romper puentes de hidrógeno en lugar de acelerar las moléculas. La gráfica compara datos de ejemplo de una ciudad costera y una ciudad del interior a casi la misma latitud. La temperatura de la ciudad costera cambia mucho menos durante el año, porque el océano cercano absorbe calor en verano y lo libera en invierno. La misma propiedad ayuda a los organismos a mantener una temperatura corporal estable, porque sus células son en su mayoría agua.
El hielo flota
- La mayoría de los sólidos son más densos que sus líquidos
- El hielo es una red abierta unida por puentes de hidrógeno
- El hielo es menos denso, así que flota
- El hielo que flota aísla el agua de abajo
En el agua líquida, los puentes de hidrógeno se rompen y se forman constantemente, así que las moléculas pueden acomodarse muy juntas. Cuando el agua se congela, cada molécula se fija con puentes de hidrógeno a sus vecinas y forma una red abierta con espacios vacíos. Eso hace que el hielo sea alrededor de 8% menos denso que el agua líquida (0.917 g/mL en comparación con alrededor de 1.000 g/mL), así que el hielo flota. Una capa de hielo flotante aísla el agua que queda debajo, así que los lagos se congelan de arriba hacia abajo y los peces sobreviven el invierno en el agua líquida de abajo.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Arena y agua bajo el sol
Un estudiante pone masas iguales de arena y agua bajo la misma luz solar y registra sus temperaturas. ¿Cuál se calienta más rápido y cuántas veces más rápido? Usa el calor específico para explicar la diferencia.
| Tiempo (min) | Arena (°C) | Agua (°C) |
|---|---|---|
| 0 | 20.0 | 20.0 |
| 10 | 26.0 | 21.5 |
| 20 | 32.0 | 23.0 |
| 30 | 38.0 | 24.5 |
Mostrar la solución
- Cambio en 30 min: arena: 38.0 °C − 20.0 °C = 18.0 °C; agua: 24.5 °C − 20.0 °C = 4.5 °C
- Comparación: 18.0 °C ÷ 4.5 °C = 4.0
- Afirmación y evidencia: la arena se calienta más rápido. Bajo la misma luz solar, subió 18.0 °C mientras que el agua subió solo 4.5 °C.
- Razonamiento: el agua tiene un calor específico más alto. Gran parte de la energía que absorbe se usa para romper puentes de hidrógeno en lugar de subir su temperatura.
- Respuesta: La arena se calienta 4.0 veces más rápido que el agua.
Ejemplo 2: Tubos capilares
La gráfica muestra qué tan alto sube el agua en tubos de vidrio de diferentes diámetros. Predice qué tan alto subiría el agua en un tubo de 1.5 mm de ancho. Luego explica por qué sube el agua.
Mostrar la solución
- Encuentra el patrón: 0.5 × 60 = 30, 1.0 × 30 = 30, 2.0 × 15 = 30, 3.0 × 10 = 30. La altura × el diámetro se mantiene igual, así que al reducir el diámetro a la mitad, la altura se duplica.
- Predice: altura = 30 mm2 ÷ 1.5 mm = 20 mm
- Explica: la adhesión jala el agua hacia arriba por las paredes de vidrio, y la cohesión arrastra el resto del agua. En un tubo más estrecho, una parte mayor del agua toca las paredes, así que sube más.
- Respuesta: Alrededor de 20 mm.
Ejemplo 3: Un lago congelado
El modelo muestra un lago en un día frío de invierno. Explica por qué el agua más cálida (4 °C) está en el fondo. Luego predice qué les pasaría a los peces si el hielo fuera más denso que el agua líquida.
Mostrar la solución
- Densidad: el agua líquida es más densa a 4 °C, así que el agua a 4 °C se hunde hasta el fondo.
- Capas: el agua más fría y el hielo son menos densos, así que se quedan arriba. La capa de hielo aísla del aire frío el agua que está debajo.
- Si el hielo fuera más denso: se hundiría al formarse. El lago se congelaría de abajo hacia arriba y podría congelarse por completo.
- Respuesta: El hielo que flota deja agua líquida abajo para los peces. Si el hielo se hundiera, el lago podría congelarse por completo y los peces morirían.
Práctica
Rotula una molécula de agua, relaciona las propiedades del agua con ejemplos de la vida diaria y lee gráficas de calentamiento y densidad. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.
- Hoja de práctica: Propiedades del agua (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas: Propiedades del agua (PDF) (en inglés)
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- El agua es polar, así que sus moléculas forman puentes de hidrógeno
- La cohesión y la adhesión suben el agua por las plantas
- El agua disuelve sustancias polares e iónicas
- El calor específico alto mantiene estables las temperaturas
- El hielo flota y aísla el agua de abajo
De vuelta a la pregunta esencial: las propiedades del agua provienen de su polaridad. Los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua causan la cohesión y la adhesión, que ayudan a mover el agua por las plantas. Los extremos cargados del agua le permiten disolver y transportar nutrientes. Su calor específico alto mantiene estables los climas y la temperatura de los cuerpos, y el hielo que flota protege la vida en los lagos. A continuación, seguirás el agua mientras se mueve por el ciclo del agua.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia estas expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS):
- HS-ESS2-5: Planear y realizar una investigación sobre las propiedades del agua y sus efectos en los materiales de la Tierra y en los procesos de la superficie.
Ideas disciplinarias básicas: ESS2.C Las funciones del agua en los procesos de la superficie de la Tierra