Se tiene la impresión de que al mezclar hidrógeno y oxígeno inmediatamente reaccionan y producen agua, pero esto no es así, ya que para que ocurra la reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno es necesaria una cierta cantidad de energía que inicie la reacción química a la cual se le llama energía de activación. Esto se proporciona mediante una flama o con una chispa eléctrica, y la reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno es tan violenta que produce una fuerte implosión debido a la rápida disminución del volumen de los reactivos (son gases) para formar el producto (agua líquida). Se representa mediante la ecuación química como:
2 H2(G) + O2(G) + Energía -------> 2 H2O(L) DG = + 118 kcal/mol
Se produce un cambio químico debido a que hay ruptura de enlaces y formación de nuevos enlaces, por lo que hay un reagrupamiento de los átomos, se produce la pérdida de las propiedades físicas y químicas de los reactivos y adquieren nuevas propiedades físicas y químicas los productos.
La ecuación química indica que dos moles de hidrógeno gaseoso más un mol de oxígeno gaseoso más energía suficiente para que ocurra la reacción se producen dos moles de agua líquida y se absorben 118 kilocalorías por cada mol de agua formada, es decir, la reacción es endotérmica.
Esto se puede determinar sabiendo que la reacción química de formación del agua requiere de 440 kcal/mol y que para romper el enlace H-H se requiere de 103 kcal/mol; para romper el enlace O=O de 116 kcal/mol; para el enlace H-O de 110 kcal/mol.
DG reacción = S(DG)productos - S(DG)reactivos = 2 moles(2x110 kcal/mol) - 2 moles(103 kcal/mol) + 1 mol (116 kcal/mol) = 440 kcal/mol - 322 kcal/mol = 118 kcal/mol. Esto indica que la reacción es endotérmica y que hay que agregar 118 kcal por cada 2 moles de agua que se produzca, es decir, 59 kcal por cada mol de agua formada.
Se puede aplicar la ley de la conservación de la masa o de Lavoisier.
2 H2(G) + O2(G) + Energía -------> 2 H2O(L) DG = + 118 kcal/mol
2 moles(2 g/mol) + 1 mol (32 g/mol) = 2 moles(18 g/mol)
La reacción de descomposición del agua, se representa mediante la ecuación química:
2 H2O(L) + Energía --------> 2 H2(G) + O2(G) DG = -118 kcal/mol
El balance de la energía involucrada en la reacción de descomposición del agua es:
DGreacción = S(DG)productos - S(DG)reactivos = 2 moles(103 kcal/mol) + 1 mol(116 kcal/mol) - 2 moles(2x110 kcal/mol) = 322 kcal - 440 kcal = -118 kcal.
Esto indica que la reacción de descomposición del agua es exotérmica y que se liberan 118 kcal por cada 2 moles de agua que se descompongan.
Comportamiento químico del agua
Estabilidad de la molécula de agua. El agua pura es un compuesto muy estable, es decir, requiere de mucha energía para descomponerse en sus elementos químicos (para romper un mol de enlaces H-O se necesitan 110 kcal). Es tan estable que se requiere de una temperatura de 2700ªC a una presión de una atmósfera para que se descomponga. La estabilidad de la molécula de agua es evidencia de la fuerza de los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y oxígeno que la forman.
a) Comportamiento con los metales.
El agua reacciona con diferentes elementos químicos produciendo hidrógeno.
Reacciones típicas de metales alcalinos con el agua:
2 HOH(L) + 2 Li(S) -------> 2 LiOH(ac) + H2(G)
proceso de oxidación: 2 (Li0 -----> Li +1 + e-) el litio se oxida.
proceso de reducción: 2 H1+ + 2 e- -----> H20 el hidrógeno se reduce.
Como el litio se oxida entonces actúa como agente reductor y como el hidrógeno se reduce entonces actúa como agente oxidante (como un hidrógeno de la molécula H2O se reduce entonces se dice que el agua actúa como agente oxidante).
Los metales muy reactivos como el sodio y el potasio reaccionan violentamente con el agua fría, liberando hidrógeno y formando la solución el hidróxido correspondiente.
La reacción química entre el sodio y el agua se representa mediante la ecuación química siguiente:
2 HOH(L) + 2 Na(S) -----> 2 NaOH(ac) + H2(G)
La reacción química entre el sodio y el agua se representa mediante la ecuación química siguiente:
2 HOH(L) + 2 K(S) -----> 2 KOH(ac) + H2(G)
El sodio, el potasio, el rubidio y el cesio reaccionan con el agua a temperatura ambiente tan rápidamente que el hidrógeno se inflama por la energía liberada, produciendo agua con el oxígeno del aire de acuerdo a la ecuación química siguiente:
2 H2(G) + O2(G) + Energía ----> 2 H2O(L) DG = + 118 kcal/mol
El calcio y el litio reaccionan más lentamente con el agua que el sodio, el potasio, el rubidio y el cesio. La reacción del calcio con el agua a temperatura ambiente se representa mediante la ecuación química siguiente:
2 HOH(L) + Ca(S) -------> Ca(OH)2(ac.) + H2 (G)
El agua se usa en la producción comercial del hidrógeno, haciendo circular mezclas de hidrocarburo y vapor de agua sobre un catalizador de níquel a temperaturas elevadas. La reacción del hidrocarburo más sencillo, el metano, se representa mediante la ecuación química siguiente:
2 H2O(V) + CH4(G) + Energía ----Ni----> CO2(G) + 4 H2(G)
b) Comportamiento del agua con los óxidos metálicos.
Los óxidos de muchos metales son insolubles en el agua y el agua tiene poco o ningún efecto sobre ellos. Pero el agua sí reacciona con los óxidos de los metales muy activos. Los óxidos de sodio, potasio, calcio y bario reaccionan con el agua produciendo el hidróxido correspondiente y son solubles.
La reacción química entre el agua y el óxido de calcio se representa mediante la ecuación química siguiente:
HOH(L) + CaO(S) -------> Ca(OH)2 (ac)
c) Comportamiento del agua con los óxidos no metálicos.
Los óxidos de no metales como el carbono, el azufre y el fósforo forman compuestos moleculares con enlaces covalentes polares reaccionan con el agua produciendo el ácido correspondiente.
La reacción química entre el agua y el dióxido de carbono se representa mediante la ecuación química siguiente:
H2O(L) + CO2(G) -------> H2CO3 (ac)
La ionización del agua pura y la escala de pH
La diferencia del comportamiento físico y químico y de las propiedades de los compuestos electrovalentes y los compuestos covalentes es el resultado de las diferencias en las estructuras químicas de sus moléculas. La conductividad eléctrica es una de esas propiedades y se puede probar fácilmente mediante un circuito eléctrico y una solución acuosa de un compuesto de estos tipos. En general, a todos los compuestos químicos que en solución acuosa conducen una corriente eléctrica se les llama electrolitos.
El agua pura conduce tan poco a la corriente eléctrica que puede considerarse como no conductora de la electricidad. Se ioniza en una proporción de aproximadamente dos moléculas en mil millones.
Probablemente, la ionización de la molécula de agua (óxido de hidrógeno) comience con la formación de un enlace por puente de hidrógeno entre dos moléculas y produce la formación de los iones hidronio e hidroxilo (oxidrilo). Se representa mediante la ecuación química:
H2O + H2O <====> H3O+ + OH- o también como: 2 H2O <====> H3O+ + OH-
El ion H3O+ es un protón hidratado (H+H2O) y se conoce como ion hidronio. En cualquier reacción química en intervenga el ion hidronio, la molécula de agua se considera como reactivo y por comodidad, se escribe el ion hidronio como H+ o H+(ac). En todos estos casos se entiende que este ion existe en forma hidratada en solución acuosa.
El agua se ioniza muy poco por autoionización, se le conoce como proceso de autoprotólisis. Las mediciones de la conductividad eléctrica del agua pura a 25ªC y una presión de una atmósfera muestran que las concentraciones de iones hidronio e hidroxilo son: 1 mol H3O+/107 litros de H2O = 10-7 mol de H3O+/L de H2O y de 1 mol OH-/107 litros de H2O = 10-7 mol de OH-/L de H2O.
El grado de ionización del agua puede expresarse en %, calculando la concentración de los iones hidronio y de los iones hidroxilo, en moles de iones/mol de H2O. Es aproximadamente de 0.0000002 % a
En 1887, Svante August Arrhenius (1859-1927) introdujo la teoría de la ionización en las soluciones de electrolitos, postuló la formación de iones en soluciones acuosas y definió a un ácido como un compuesto que al entrar en solución acuosa produce el ion hidrógeno (H+1), y una base como un hidróxido que al disociarse en agua produce el ion oxhidrilo (OH-1). H2O <=====> H+1 + OH-1
En 1923, según la teoría de Bronsted (1879-1947)-Lowry (1847-1936) una reacción ácido-base es una competencia entre dos especies químicas por un ion hidrógeno (H+1), el ganador se llama base y el perdedor ácido. Una base es un aceptor del ion hidrógeno y un ácido un donador del ion hidrógeno. Como el isótopo más estable del hidrógeno es el hidrógeno 1 y su ion es un protón, se define ácido como el donador (perdedor) de protones y una base como un aceptor (ganador) de protones.
El agua puede comportarse como ácido o como base (álcali, hidróxido) dependiendo de la sustancia con la que reaccione.
El agua muestra características tanto de ácido como de hidróxido cuando reacciona consigo misma y se establece un equilibrio dinámico, que se representa mediante la ecuación química de la disociación o ionización del agua químicamente pura:
H2O + H2O <=====> H3O+1 + OH-1
Su constante de equilibrio es: Ke = [H3O+1] [OH-]/[H2O]2 , de donde Ke[H2O]2 = Kw = [H3O+1][OH-1], donde [ ] representa la concentración molar. A Kw se le llama producto iónico del agua. Como la reacción de disociación del agua es una reacción endotérmica, de acuerdo al principio de Le Chatelier, Kw se incrementa al aumenta la temperatura.
El valor de Kw se puede determinar mediante varios métodos experimentales diferentes, entre los que está la conductividad. La conductividad del agua químicamente pura es de 5.5x10-8 ohm-1 cm-
Como el grado de disociación del agua pura a
Se dice que una solución acuosa cuando tiene [H3O+1] = [OH-1] es neutra; mientras que cuando tiene [H3O+1] > [OH-1] la solución es ácida y cuando tiene [H3O+1] < [OH-1] la solución es alcalina.
El producto iónico del agua siempre es constante en solución acuosa, a una temperatura determinada, con independencia de la concentración de iones H3O+1 o de OH-1
La expresión pX = 1/log X, se usa para definir algunas cantidades que se utilizan en química como: el potencial de hidrógeno (pH), pH = 1/log [H3O+1] = log 1 - log [H3O+1]= - log [H3O+1]; y el potencial de hidroxilo (pOH), pOH = - log {OH-1} y el pKw = - log Kw. Por lo tanto, una solución acuosa neutra tiene un pH = 7, una ácida tiene un pH <>
Como la concentración molar del ion hidronio es de 10-7 mol de H3O+/L de H2O, entonces el potencial de hidrógeno del agua pura es: pH = log 1/0.0000001 = log 1/10-7 = log 107 = 7
Como Kw = [H3O+1] [OH-1], entonces pKw = pH + pOH = 14, por lo que la escala del potencial de hidrógeno varía de cero a catorce.
La determinación de un ácido o de una base (álcali) se hace por el procedimiento conocido como titulación ácido-base con el auxilio de un indicador químico (compuesto orgánico que se usa para determinar el punto de equivalencia en las reacciones de neutralización) adecuado para el caso y con base en el proceso de neutralización ácido-base (formación de sal y agua) o con un aparato electrónico conocido como potenciómetro o peachímetro.
La mayoría de las células son muy sensibles al grado de acidez del fluido que las rodea.
Para mayor comprensión acerca del pH puedes consultar la sección Algunos experimentos fáciles , al finalizar esa sección podrás encontrar una ESCALA de pH con la que podrás ensayar utilizando diferentes sustancias y comparando su coloración con la escala, así podrás determinar el pH que esa sustancia tiene.
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