Water is the most common substance on the surface of the Earth

Una gota de agua

Introducción

El agua es el elemento más común de la superficie terrestre. Sin ella no podría existir vida. Tu cuerpo está formado, aproximadamente, por un 70% de agua. Observa la imagen siguiente: el agua puede encontrarse en tres estados:

  • Sólido (hielo)
  • Líquido (agua) y
  • Gaseoso (vapor de agua)
    Se puede cambiar su estado aplicándole calor o frío (o cambiando la presión)

¿Cómo cambia el estado del agua?
Si el hielo se calienta lentamente, empieza a derretirse y se convierte en líquido. Si se le sigue aplicando calor, a unos 100° centígrados se convierte en gas.

¿Por qué sucede tal cosa?
El agua es una molécula con la fórmula química H2O, es decir, dos átomos de hidrógeno adheridos a uno de oxígeno. Las partículas de hielo sólido se compactan y unen mediante vínculos químicos denominados enlaces de hidrógeno. Vibran de manera continua.

Cuando se aplica calor al hielo, su energía incrementa las vibraciones. Algunos de los enlaces se rompen y las partículas quedan en libertad para moverse un poco, que es cuando el hielo se hace líquido. Al aumentar el calor que se aplica, las partículas obtienen suficiente energía para romper todos los enlaces y escapar como gas o vapor.

La propiedad física de la agua

Water heated to around 100° Celsius becomes a gas

La propiedad física de la materia que indica el grado de compresión de las partículas individuales de la sustancia se denomina densidad. La densidad (D) es una medida de la cantidad de material (masa o m) en un espacio dado (volumen o V) y se expresa como una relación:
D = m/V.
La diferencia entre las densidades de la materia de la Tierra es lo que impulsa las corrientes marinas, el viento y la tectónica de placas.

Normalmente, la densidad de la materia aumenta al pasar de gaseosa a líquida y de líquida a sólida. La densidad también aumenta al reducirse la temperatura, pues al bajar ésta disminuye la vibración de los átomos. Como los átomos se mueven menos, se comprimen más o con mayor densidad. En todo caso, el agua es diferente.

El agua tiene unas propiedades físicas y químicas muy especiales, que la convierten en una de las sustancias más importantes de nuestro planeta.

Observa la grabación de vídeo en la que el astronauta de la ESA Frank De Winne demuestra el comportamiento del agua en condiciones de ingravidez en la Estación Espacial Internacional. Los profesores pueden utilizar el vídeo junto con las notas de lección siguientes para que los niños más pequeños puedan comparar el comportamiento del agua en la Tierra y en el espacio.

1. ¿Por qué el agua sólida (hielo) es algo poco común?

Uno puede suponer que una sustancia sólida como el hielo se debe hundir. Sin embargo, sabes que si colocas unos cubitos de hielo en una bebida flotan.

Llena de agua una botella de plástico y cierra la tapa. Colócala en el congelador y observa su aspecto al día siguiente. Verás que se ha desbordado por la parte superior y que la botella parece haberse hinchado.

El agua en estado sólido (hielo) es MENOS densa que en estado líquido. La densidad del agua pura a 4 grados centígrados es de 1 g/cm cúbico, en tanto que la densidad del hielo a 0 grados centígrados es de sólo 0,92 g/cm cúbico. El agua líquida y el hielo tienen distintas densidades porque en el hielo las moléculas están más separadas y ocupan más espacio que las moléculas del agua líquida.

En el espacio: Frank coloca un trocito de hielo en el interior de una gota de agua.
¿Qué sucede con el hielo situado en el interior de la gota de agua?
¿Flota, se hunde o hace otra cosa?

Respuestas:
En la Estación Espacial Internacional todo se encuentra en CAÍDA LIBRE, por lo que no parece haber fuerza de GRAVEDAD. La gravedad es lo que impide que en la Tierra salgamos flotando. Si lanzas un objeto, siempre caerá al suelo.
¡Ay!

Esa atracción que arrastra todo hacia el suelo se llama fuerza gravitatoria. Por eso, al igual que los astronautas (y lo que no esté atado con firmeza), todo flota en la ISS. Hasta el agua. El hielo no flota ni se hunde, sólo se mueve dentro de la gota de agua.

2. La polaridad del agua

La molécula del agua es dipolar. La fórmula química del agua es H2O, es decir, dos átomos de hidrógeno adheridos a uno de oxígeno.

La molécula de agua no tiene carga en general. Sin embargo, posee una ligera carga negativa en la parte del átomo de oxígeno y una ligera carga positiva cerca de los átomos de hidrógeno. A esto se le llama dipolo. La carga general de la molécula de agua es cero. Las cargas positiva y negativa son iguales, por lo que se anulan entre sí.

Prueba: demuestra la naturaleza dipolar del agua

Wasser ist ein dipolar Molekule

Materiales:

  • Una fuente de agua (por ejemplo, un grifo)
  • Una varilla de vidrio o una regla de plástico

Método:

  • Deja correr un hilo de agua del grifo.
  • Acerca la regla o la varilla al hilo de agua. ¿Sucede algo?
  • Frota varias veces la regla o la varilla en un paño o una camiseta. Acércala al agua. ¿Qué sucede ahora? ¿Por qué crees que sucede?

En la Estación Espacial Internacional, Frank De Winne utiliza un trozo de plástico (en lugar de una varilla) para crear algo de carga (por ejemplo, carga positiva +). Al frotarlo en la ropa, se acumula carga positiva en la superficie del plástico. Al acercar el plástico a la gota de agua, la carga del plástico atrae la carga contraria de las moléculas de agua (la carga negativa del oxígeno).

Reflexión:
¿Por qué Frank no puede utilizar un hilo de agua en la ISS? ¿Qué sucede con la gota de agua cuando le acerca el trozo de plástico?

Respuesta:
La varilla o la regla, por su carga positiva, atrae el hilo de agua debido a la carga negativa de sus moléculas. Cuando Frank acerca el plástico al agua, la gota debería moverse alrededor siguiendo al plástico cargado. La carga positiva del plástico atrae la carga negativa del oxígeno.

Frank no puede utilizar un hilo de agua en la ISS porque allí todo flota (se encuentra en caída libre) y el agua podría penetrar fácilmente en los equipos eléctricos y provocar daños. Es necesario extraer el agua de una bolsa especial para bebida y, posteriormente, eliminarla.

3. La solubilidad del agua

El agua es transparente, por lo que, si disuelves algo en ella, cambia de color.

El agua posee una propiedad muy importante, que es su capacidad de disolver gran número de sólidos y gases. ¿Qué sucede cuando pones azúcar (un sólido) en el café?

Se dice que el azúcar es soluble en agua. Ciertas cosas son insolubles (no se disuelven). ¿Se te ocurre alguna?

Prueba: ¿Qué cosas se disuelven?

Materiales:
terrón de azúcar, granos de sal, café instantáneo y posos de café, trocitos de madera (virutas, paja), virutas pequeñas de plástico, fragmentos de cera de velas, jarras de vidrio, cuchara o agitador, una fuente de agua y un lugar para eliminarla.

Método:

  • De uno en uno, añade los distintos materiales a una jarra de agua para ver si la sustancia se disuelve o no. Es posible que debas agitar el agua.
  • Crea una tabla para indicar lo que se disuelve y lo que no.

En la Tierra podemos observar con facilidad si algo se disuelve, en especial si tiene color. Parece “desaparecer” en el agua. Cuando la añadimos al té o al café, adquiere un sabor dulce. (¡NO SABOREES NADA en clase!)

En el espacio, donde reinan unas condiciones distintas que en la Tierra, ¿el azúcar se disolvería en el té? Sabemos que todo flota, pero, ¿el azúcar flotaría en el agua o se disolvería?

Frank intentará disolver azúcar en su recipiente de té. ¿Qué crees que sucederá si el agua está más caliente? ¿O si se agitara?

Los astronautas reciben unas bolsas especiales que contienen té y azúcar. Deben añadir agua caliente y agitar la bolsa para disolver el azúcar y mezclarla con el té. ¿Cómo sabrá Frank si se ha endulzado el té?

Respuesta:
Frank prueba el té y es dulce, por lo que el azúcar se disuelve en agua en el espacio.

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