EL AGUA - FISICAS y QUIMICA

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Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Jhon Walter Gómez Lora y Victor Hugo Gallo Ramos 
CAPITULO 1 EL AGUA: FÍSICA, QUÍMICA Y BIOLOGÍA 
 
 
El agua tal como lo encontramos en la naturaleza no es utilizable directamente 
para el consumo humano, porque en raros casos no es suficientemente pura. A 
su paso por el suelo, por la superficie de la tierra o incluso a través del aire, el 
agua se contamina o se carga de materias en suspensión o en solución: partículas 
de arcillas, residuos de vegetación, organismos vivos (plancton, bacterias, virus), 
sales diversas (cloruros, sulfatos, carbonatos de sodio, hierro, manganeso, etc.), 
materias orgánicas (ácidos húmicos, fúlvicos, residuos de fabricación) y gases. 
En la siguiente tabla se presenta, a modo de ejemplo, dos análisis relativos al 
agua de superficie y al agua de pozo. 
 
Tabla 1. Análisis de diferentes parámetros para el agua de río y pozo 
Parámetro Agua de río Agua de pozo 
Temperatura (°C) 14 9.5 
Turbiedad (NTU) 18 0.2 
Color (mg/l Pt-Co) 30 10 
Materias en suspensión (mg/l) 25 0.35 
pH 8 6.7 
Cloruros (mg/l Cl-) 25 70 
Sulfatos (mg/l SO42-) 18 330 
Hierro (mg/l Fe) 1.4 3.5 
Manganeso (mg/l Mn) trazas 1.2 
Amoniaco (mg/l NH4+) 0.7 1.5 
Nitritos (mg/l NO2-) 0.2 trazas 
Nitratos (mg/l NO3-) 3 1 
CO2 libre (mg/l) 4 135 
Oxígeno disuelto (mg/l) 9.5 ausencia 
Oxidabilidad al permanganato, en caliente, en medio ácido (mg/l O2) 7.5 1.5 
Fuente: Degremont (1979). 
 
1.1. El agua desde el punto de vista físico 
 
El agua es la combinación del hidrógeno y del oxígeno naturales, es decir, de las 
combinaciones recíprocas de 2 series de isótopos. 
 
1H Hidrógeno H 16O 
2H Deuterio D por una parte, y 17O por otra 
3H Tritio T 18O 
 
Puede estar constituida, por tanto, teóricamente, por 18 tipos de moléculas, pero, 
dada la proporción excesivamente pequeña de 3H, 17O y 18O, el número de 
moléculas se reduce a 3: H2O, D2O y HDO. La fracción molar del deuterio en el 
hidrógeno natural es casi constante y aproximadamente a 1/6000, mientras que 
el tritio es solamente 4 x 10-15. 
 
La molécula de agua tiene un momento eléctrico que se manifiesta por sus 
propiedades físicas y eléctricas. El agua es del tipo de líquidos polares. Se adopta 
para su representación un modelo triangular, con un ángulo de los enlaces de 
105º aproximadamente. La distancia del oxígeno al eje de los átomos H+ es de 62 
pm. 
 
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1.2. Estados físicos del agua 
 
La estructura del agua depende de su estado físico. El estado gaseoso (vapor), 
corresponde exactamente a la formula H2O, y en especial al modelo angular 
indicado. Los estados condensados (agua y hielo) son más complicados, lo cual 
explica sus propiedades anormales. En estado sólido, la disposición elemental 
consiste en una molécula de agua central y 4 periféricas, tomando el conjunto la 
forma de un tetraedro. El agua en estado líquido posee una asociación de varias 
moléculas por enlaces especiales llamados enlaces de hidrógeno: cada átomo de 
hidrógeno de una molécula de agua se encuentra unido al átomo de oxígeno de 
la molécula vecina. En el espacio, la estructura es tetraédrica. 
 
1.3. Propiedades físicas 
 
a) Masa volúmica 
 
La masa volúmica varía con la presión y la temperatura, por compresión del 
edificio molecular. Se observa un máximo de 4.08 ºC a la presión de 1bar, a 3.8 
ºC a 4 bar y a 3.4 °C a 10 bar. La masa volúmica del agua pura a 15 ºC, a la 
presión atmosférica, es de 0.999 kg/dm3. La masa de las aguas naturales varía 
con el contenido de sustancia disuelta. 
 
b) Propiedades térmicas 
 
• Calor másico: 4180 J/kg a 0 ºC, varía con la temperatura, presentando un 
mínimo a +35 ºC. 
• Los calores latentes de transformación son para la fusión: 330 kj/kg, 79 kcal/kg; 
para la vaporización: 2250 kj/kg o 539 kcal/kg a la presión normal y a 100 ºC. 
 
Debido a los valores elevados del calor másico y del calor latente de vaporización 
del agua, las grandes extensiones de este elemento en la superficie de la tierra 
constituyen verdaderos volantes térmicos. 
 
c) Viscosidad 
 
Es la propiedad que tiene un líquido de oponer resistencia a todo movimiento, ya 
sea interno o global como el flujo. Es un factor fundamental de las pérdidas de 
carga y por lo tanto desempeña un importante papel en el tratamiento del agua. 
Disminuye cuando aumenta la temperatura (Tabla 2). Por lo contrario, aumenta 
con el contenido en sales disueltas, por lo que el agua de mar es mucho más 
viscosa que el agua de río. La presión actúa en forma especial sobre la viscosidad 
absoluta del agua. 
 
d) Tensión superficial 
 
Caracteriza una propiedad de las superficies que limitan 2 fases. Se define como 
una fuerza de tracción que se ejerce en la superficie del líquido y tiende siempre 
a reducir lo más posible la extensión de dicha superficie. La tensión superficial del 
agua es de 73 x 10-3 N/m (73 dyn/cm) a 18 ºC, de 52.5 x 10-3 N/m (52.5 dyn/cm) 
 
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a 100ºC. Es tal que provoca una ascensión capilar de 15 cm a 18 ºC en un tubo 
de 0.1 mm de diámetro. La adición de sales aumenta la tensión superficial ( = 
74.6 *10-3 N/m o 74.6 dyn/cm para una solución acuosa de NaCl a 1 mol/l, a 18ºC). 
La presencia en el agua de algunos cuerpos (denominados tensioactivos) 
disminuye la tensión superficial. 
 
1.4. Propiedades eléctricas 
 
a) Constante dieléctrica 
 
La constante dieléctrica del agua ( ), de orden 80 es una de las más elevadas 
que se conocen, por lo que el agua posee un alto poder ionizante. 
 
b) Conductividad eléctrica del agua 
 
El agua es ligeramente conductora y su comportamiento se rige por la ley de Ohm. 
 
c) Propiedades ópticas 
 
La transparencia del agua depende de la longitud de onda de la luz que la 
atraviesa. Los rayos ultravioletas pasan bien, pero los infrarrojos, tan útiles desde 
el punto de vista físico y biológico, apenas penetran en ella. El agua absorbe 
fuertemente el anaranjado y el rojo en el espectro visible, debiéndose a ello el 
color azul de la luz transmitida en capa espesa. 
 
1.5. El agua y la química 
 
La energía de formación de la molécula de agua, 242 kJ/mol (58 kcal/mol) es 
elevada. Por ello, el agua posee una gran estabilidad, especialmente en la 
naturaleza. Esta estabilidad, unida a las propiedades eléctricas y a la constitución 
molecular características del agua, la hace especialmente apta para la disolución 
de numerosos cuerpos. En efecto, la mayor parte de las sustancias minerales, así 
como gran número de gases y productos orgánicos, pueden disolverse en el 
agua. 
 
1.5.1. El agua, sustancia disolvente 
 
Disolver un cuerpo es romper su cohesión, la cual es debida a fuerzas 
electrostáticas o de Coulomb, que pueden ser: 
 
a) Interatómicas 
 
Enlaces químicos fuertes: enlaces covalentes (entre átomos), enlaces 
electrovalentes o iónicos (átomo – electrones). 
 
b) Intermoleculares 
Enlaces de cohesión entre moléculas (enlaces de hidrógeno). 
 
 
 
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c) Fuerzas de atracción débiles 
 
Son las de London y Van der Waals que aseguran la unión general del conjunto. 
Esta diversidad de enlaces explica la variedad infinita de la estabilidad de la 
materia. La atracción hidratante del agua (molécula bipolar) destruye, por 
completo o parcialmente (comenzando por los más débiles), los diversos enlaces 
electrostáticos entre los átomos y las moléculas del cuerpo que va a disolverse, 
reemplazándolos por nuevos enlaces con sus propias moléculas, y crea nuevas 
estructuras; se produce una verdadera reacción química (solvatación). Una 
solvatación completa es una disolución. 
 
1.5.2. Solubilidad de las diversas fases 
 
a) Disolución de gases 
 
La solubilidad de los gases sigue las leyes de Henry, es decir, la cantidad de gas 
que se disuelve esproporcional al coeficiente de solubilidad , propio de cada 
gas, la concentración (C) del gas en cuestión, en la fase gaseosa, y a la presión 
total (P), en contacto con el agua. Entonces, el volumen de gas disuelto (V) es 
V= CP. Los anhidridos (CO2, SO2) y diversos ácidos gaseosos (HCL) se 
disuelven y después se combinan. Su coeficiente de solubilidad es mucho mayor 
que el de otros gases. El oxígeno es más soluble que el nitrógeno: los gases 
disueltos extraídos del agua serán, por tanto, más ricos en oxígeno que la 
atmósfera inicial de los que proceden. 
 
Tabla 2. Variación de la viscosidad en función de la temperatura, del contenido de sales y 
valores de solubilidad para los diferentes gases 
Variaciones de la viscosidad dinámica en función de la temperatura 
ºC 0 5 10 15 20 25 30 35 
mPa.s 1.797 1.523 1.301 1.138 1.007 0.895 0.800 0.723 
Variación de la viscosidad con el contenido de sales 
Salinidad en iones Cl- en g/l 0 4 8 12 16 20 
coeficiente de viscosidad a 
20ºC en mPa.s 
10.007 1.021 1.035 1.052 1.068 1.085 
Valores de solubilidad para los diferentes gases 
Gas N2 O2 CO2 H2S 
Valor del coeficiente de solubilidad (α) a 10ºC. 0.018 0.038 0.194 3.39 
Valor de la solubilidad de los gases en mg/l a 10ºC, 
estando el gas puro en contacto con el agua, a una 
presión igual a 1bar. 
23.2 54.3 2318 5112 
Fuente: Degremont (1979). 
 
b) Solubilidad de líquidos 
 
Al ser polar la molécula de agua, la solubilidad de un líquido en el agua depende 
de la polaridad de las moléculas del líquido considerado. Por ejemplo, las 
moléculas que contienen grupos OH- (ejemplo: alcohol, azucares), SH-, NH2- son 
muy polares, y, por lo tanto, muy solubles en el agua, mientras que otros líquidos 
(hidrocarburos, tetracloruro de carbono, aceites y grasas, etc.), no polares, son 
muy poco solubles. 
 
 
 
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c) Solubilidad de los sólidos 
 
En la depuración del agua, hay que tener en cuenta el tamaño y la carga eléctrica 
de las partículas disueltas. Por ello, se distinguen diferentes clases de soluciones 
y de suspensiones. 
 
• Soluciones verdaderas o moleculares: comprenden sistemas homogéneos (de 
una sola fase). 
• Soluciones cristaloides: las partículas disueltas son moléculas de pequeñas 
dimensiones (menos de un nanómetro), ionizadas (ácidos, bases, sales) o no 
(azúcares). 
• Soluciones macromoleculares: formadas por partículas de dimensiones 
superiores al nanómetro. Pueden presentar grupos ionizados. 
• Suspensiones coloidales: se denominan también soluciones de micerales o 
seudosoluciones. Son sistemas de dos fases netamente heterogéneas, en los 
que las partículas dispersas son conjuntos atómicos (metales) o moleculares 
de dimensiones cualesquiera. 
• Suspensiones: cuando las partículas son visibles al microscopio, constituyen 
suspensiones (sólidos) o emulsiones (líquidos). 
 
1.5.3. Soluciones verdaderas 
 
Las relaciones entre soluto y solvente pueden expresarse de varias formas: 
 
• Concentración ponderal: número de masa de soluto disuelto en la unidad de 
masa del solvente. 
• Fracción molar: relación del número de moles del soluto al número de moles 
total (solvente + soluto). 
• Molalidad: número de moles disueltos en 1000 g de solvente. 
• Molaridad: número de moles disueltos por un litro de solución. 
 
1.5.4. Ionización 
 
En ciertas disoluciones, por ejemplo, de sales minerales, se comprueba la 
aparición de propiedades eléctricas especiales: conductividad del líquido, 
posibilidad de electrólisis, etc. Dichas propiedades se explican por la disociación, 
al menos parcial de las moléculas en constituyentes simples eléctricamente 
cargados: catión y anión. Las diferentes leyes que se aplican a los equilibrios 
químicos, en especial la ley de acción de masas, deben tener en cuenta las 
moléculas no disociadas y los diversos iones. Algunos ácidos o bases, incluso en 
solución relativamente concentrada, se encuentran totalmente disociados. 
Denominados electrolitos débiles. En este caso, hay que distinguir entre la acidez 
libre, que comprende los iones H+ realmente presentes. El agua se disocia 
parcialmente en iones, según la reacción reversible: 
 
 H2O H + OH- 
 
 
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Lo que significa que se encuentran a la vez, en el agua, moléculas H2O y iones 
OH- (ion hidroxilo) y H+ (en forma hidratada H+, H2O o H3O denominado ión 
oxonio). 
 
a) Aplicación de la ley de acción de masas al agua 
 
La noción de pH se expresa suponiendo los coeficientes de actividad iónica 
iguales a 1: (H+)(OH−)(H2O) = k 
 
Como la disociación es siempre pequeña, la concentración de las moléculas de 
agua es prácticamente constante, y puede escribirse: (H+) (OH-) = Ke. El valor de 
la constante de disociación o de ionización del agua es del orden 10-14 (mol/l)2, a 
23 ºC. Este valor varía en función a la temperatura. 
 
Tabla 3. Constante de ionización en función de la temperatura 
Temperatura ºC 0 18 25 50 100 
Constante de ionización Ke 10-14 0.12 0.59 1.04 5.66 58.5 
pKe 14.93 14.23 13.98 13.25 12.24 
Fuente: Degremont (1979). 
 
En el agua pura, se tiene: (H+) = (OH-) = 10-7 mol/l. Se denomina medio ácido a 
una solución en la cual (H+) es superior a 10-7 mol/l, y medio básico a una solución 
en la que (H+) es inferior a 10-7 mol/l. Para designar la acidez o la basicidad de 
una solución se utiliza convencionalmente el exponente de la concentración en 
iones H+ o pH (potencial de hidrógeno): pH= colog (H+). El pH se mide con 
indicadores coloreados o, mejor, mediante un método electrométrico 
(potenciómetro con electrodo de vidrio). 
 
b) Solución Tampón 
 
En el caso de la mezcla de un ácido de concentración (A) y de la base 
correspondiente de concentración (B), si se tienen (A) = (B), esta solución se 
denomina tampón. Una solución tampón es una solución cuyo pH varía poco, 
tanto se añaden como si se eliminen iones H+. Estas soluciones son muy 
interesantes cuando se necesita que una reacción se efectúe a pH constante. 
 
1.5.5. Oxidación - reducción 
 
El agua puede participar, según las condiciones experimentales, en las siguientes 
reacciones de oxidación-reducción: 
 
 2H2O – 4e- 4H+ + O2 
 2H2O + 2e- 2OH- +H2 
 
 
 
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En el primer caso, el agua es un donante de electrones: es reductora; el receptor 
de electrones es un oxidante. En presencia del agua, un oxidante libera oxígeno. 
En el segundo caso, el agua es un receptor de electrones: es oxidante; el donante 
de electrones es un reductor. En presencia del agua, un reductor libera oxígeno. 
 
1.6. El agua y la biología 
 
Las propiedades caloríficas del agua constituyen uno de los factores esenciales 
de la estabilidad térmica de la biósfera. Las propiedades físicas, químicas y 
meteorológicas del agua, juntamente con las del oxígeno y el gas carbónico, 
contribuyen a crear condiciones favorables al desarrollo de los seres vivos. 
 
Existe un ciclo biológico del agua en el curso del cual se efectúa una serie de 
cambios. El agua, en efecto, es un vehículo que no se presenta en estado puro, 
sino cargado de sustancias minerales y orgánicas, a veces útiles y nutritivas (tanto 
en el exterior como en el interior de los seres vivos) y con frecuencia perjudiciales, 
cuando este vehículo recibe residuos procedentes de las actividades humanas. 
El agua entra en gran proporción en la constitución de los seres vivos. El agua en 
los diferentes órganos no es el mismo. La pequeña proporción del 22 a 34 % que 
entra en los huesos y los tejidos adiposos, se eleva a 70 – 80 % en las distintas 
vísceras; el mayor contenido corresponde a los tejidos nerviosos, en los que se 
encuentra en una proporción del 82 % al 94 %. 
 
1.6.1. El agua y el metabolismo celular 
 
La célula toma del medio exterior, lassustancias denominadas metabolitos 
esenciales, que son indispensables para el mantenimiento del ritmo de sus 
actividades. Las células autótrofas, que toman la energía necesaria del medio 
exterior (energía luminosa o energía química procedente de la transformación de 
algunos radicales minerales), y sintetizan reservas utilizables en cualquier 
momento, constituyen una energía potencial. Las células heterótrofas, por el 
contrario, son incapaces de sintetizar todos sus factores de crecimiento y utilizan 
sustancias nutritivas que desdoblan y “oxidan” exotérmicamente en materiales 
más simples: la energía liberada es llamada energía cinética. 
 
Se conoce como metabolismo al conjunto de diversas reacciones energéticas, 
reservándose el nombre de anabolismo cuando se produce energía potencial 
(energía endotérmica) y, por tanto, síntesis de materia viva; y de catabolismo 
cuando se produce energía cinética (reacción exotérmica) y, por tanto, 
degradación de la materia nutritiva. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 1. Organismos autótrofos y heterótrofos 
 
 
Fuente: Degremont (1979). 
 
El estudio de las fuentes de energía puede conducir, por tanto, al análisis de la 
fotosíntesis y al de los fenómenos de oxidación–reducción en las fermentaciones. 
 
a) Anabolismo 
 
Fotosíntesis: Este proceso biológico es cuantitativamente el más importante del 
mundo. En el caso típico de la fabricación de glúcidos por los vegetales a partir 
del CO2 de la atmósfera y del agua de la savia bruta con intervención de la energía 
solar y en presencia de clorofila. Puede resumirse por la reacción siguiente: 
 
 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 +6O2 – 2.72 KJ/mol (-650 cal/mol) 
 
Oxidación-reducción de cuerpos minerales: algunos organismos autótrofos no 
pueden utilizar, por la falta de pigmentos fijadores, la energía solar, que es la 
energía necesaria para su existencia de los fenómenos de oxidación-reducción 
de cuerpos minerales. 
 
b) Catabolismo 
 
El proceso de degradación de los alimentos celulares, o catabolismo, lleva 
consigo la producción de agua o la intervención de moléculas de agua en las 
reacciones de oxidación-reducción de carácter orgánico, en las cuales se utiliza 
la energía química que contiene toda sustancia nutritiva. El proceso de 
degradación biológica, según se desarrolle en un medio aerobio o anaerobio, da 
lugar a diferentes productos de degradación. Por ejemplo, la glucosa da: 
 
En medio aerobio: 
 
C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6H2O + 2.72 KJ/mol (+650 cal/mol) 
 
En medio anaerobio: 
 
C6H12O6 → 3O2 + 3CH4 + 144 KJ/mol (+650 cal/mol) 
 
El calor liberado en la anaerobiosis es solo el 5.3% de la energía liberada en 
aerobiosis. 
Organismos 
vivos
Autótrofos
Fotótrofos 
(organismos 
clorifilianos)
Quimiotrofos (no 
clorofilianos)
Heterótrofos
Virus, bacterias, 
hongos y animales
F
otosíntesis 
O
xidación - 
reducción 
 
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1.6.2. Sustancia nutritiva 
 
Los prótidos constituyen los más importantes de la materia, son la base de la 
materia de protoplásmica y citoplásmica. Está constituido por un conjunto de 
cuerpos simples, llamados aminoácidos. Un aminoácido es una sustancia que 
presenta, en su molécula, uno o varios grupos ácidos (COOH) y uno o varios 
grupos aminos (NH2), ligados al mismo átomo de carbono. 
 
 
 
 
 
Los prótidos se comportan como ácidos o bases, según el pH del medio en el que 
se encuentran. Los glúcidos se conocían antiguamente por el nombre de 
azúcares, debido al sabor del compuesto más simple de ellos, o por el de hidratos 
de carbono, ya que responden a la fórmula general: Cm(H2O)n. 
 
Los lípidos, simples o complejos, son ésteres de ácidos grasos y alcoholes más 
o menos complejos. Pueden emulsionarse en el agua, en la que generalmente 
son insolubles. Constituyen, tanto en el caso de los vegetales como de los 
animales, un importante material de reserva para cubrir sus necesidades 
energéticas. 
 
Los organismos autótrofos pueden sintetizar su propia sustancia partiendo de un 
substrato que contenga sales minerales, nitrógeno y fósforo; la fuente de carbono 
puede ser gas carbónico, metano, etc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 H 
 R - C - NH2 
 COOH