El agua: uno de los cuatro elementos de la naturaleza

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1 Colección Vida Líquida Módulo 1 Clase 1 El agua: uno de los cuatro elementos de la naturaleza Material de lectura

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3 Colección Vida Líquida Módulo 1 Clase 1 El agua: uno de los cuatro elementos de la naturaleza Material de lectura

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5 Presidenta de la Nación Dra. Cristina Fernández Ministro de Planificación Federal, Inversión Pública y Servicios Arq. Julio M. De Vido Secretario de Obras Públicas Ing. José Francisco López Presidente de Agua y Saneamientos Argentinos S.A. Dr. Carlos Humberto Ben Miembros del Directorio Sr. José Luis Lingeri Sr. Enrique García Ing. Oscar Vélez

6 AySA 2014 Editoriales AySA Agua y Saneamientos Argentinos S.A. Tucumán 752 Piso 20, CP Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina. Edición no comercial. Queda hecho el depósito que marca la Ley Todos los derechos reservados.

7 Módulo 1 Agua y vida: agua como recurso y elemento de la naturaleza Existe una estrecha relación entre la vida y el agua. Reconocer su importancia y su esencialidad en nuestro planeta, y entender sus características y sus propiedades, y la interacción que mantiene con cada elemento de la naturaleza, es un primer paso en su valoración. A su vez, es el inicio de la promoción de una Nueva Cultura del servicio de agua potable y saneamiento. Clase 1 El agua: uno de los cuatro elementos de la naturaleza El agua es el recurso más importante del planeta Tierra. Es un elemento fundamental, cuyas características físicas y químicas permiten la diversidad de los sistemas naturales. Sin el agua, la vida en el planeta no existiría. Es por ello que el conocimiento de su composición, sus propiedades y estados, y su participación en todos los aspectos de la vida, resulta fundamental para una primera aproximación al estudio de este elemento.

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9 Desde Vida Líquida queremos agradecer especialmente a: La Presidenta de la Nación, Dra. Cristina Fernández por el apoyo, la sensibilidad y compromiso con la obra de los servicios sanitarios y la educación pública para todos. Al Ministro de Planificación Federal, Inversión Pública y Servicios, Arq. Julio M. De Vido y al Secretario de Obras Públicas, Ing. José Francisco López por el apoyo en el compromiso social y la obra pública de los servicios sanitarios. Al Sindicato Gran Buenos Aires de Trabajadores de Obras Sanitarias (SGBATOS) bajo la Dirección del Sr. José Luis Lingeri, por el apoyo y su invaluable aporte en la construcción de la identidad sanitaria de nuestro país. A todos los trabajadores de AySA que han mantenido su firme compromiso con estos servicios y los alcances de este proyecto. Sembrando valores, sembramos futuro.

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11 El agua es el compuesto más abundante de la Tierra, el medio universal en el que se producen todas las actividades biológicas y un recurso natural irreemplazable. Es posible encontrar este líquido vital en todo aquello que vemos a nuestro alrededor, y es fundamental su cuidado y su conservación para el desarrollo de las generaciones tanto actuales como futuras.

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13 Índice La importancia del agua en nuestro planeta Un elemento fundamental La composición química y las características físicas del agua Composición química de agua Características físicas del agua Las propiedades del agua Agua líquida bajo el hielo El agua como líquido vital Las funciones del agua para el desarrollo de la vida Los tres estados del agua Características del agua en estado líquido Características del agua en estado sólido Características del agua en estado gaseoso Los cambios de estado del agua Los estados del agua a lo largo del planeta El ciclo del agua El agua dulce Un recurso natural escaso Fuentes bibliográficas Recomendaciones para el docente 38 39

14 1. La importancia del agua en nuestro planeta Desde su aparición, el agua marcó de una vez y para siempre el devenir de la Tierra, y se convirtió en un componente fundamental para el origen y la supervivencia de las especies que allí habitan. Presente en todo aquello que vemos, en la actualidad sería inconcebible pensar la existencia sin este recurso, ya que se encuentra en todas las manifestaciones de la vida y cumple múltiples funciones. El agua representa las 2/3 partes del planeta y también conforma 2/3 de la masa del cuerpo humano. El agua es uno de los elementos más abundantes: representa las 2/3 partes del planeta y también conforma 2/3 de la masa del cuerpo humano. El agua no solo resulta imprescindible para la existencia de todo ser vivo, sino también, un medio fundamental para el desarrollo de las actividades económicas, productivas e industriales. Por estas razones, cumple un rol estratégico para el desarrollo de sociedades enteras. 2/3 En la naturaleza, su acción es esencial para la configuración de los sistemas medioambientales. Además, esta sustancia constituye uno de los reguladores más importantes del tiempo atmosférico, gracias a que podemos encontrarla en sus tres estados: líquido, sólido y gaseoso. En los sistemas económicos, también desempeña un rol clave: se trata de una herramienta indispensable, ya sea para la generación de energía como para el impulso de múltiples actividades (agrarias, ganaderas, turísticas). 2/3 Es, en definitiva, un bien insustituible de primera necesidad y del que dependemos para realizar todas nuestras acciones cotidianas. Posee un valor inigualable en comparación con otros recursos, ya que el mantenimiento y el desarrollo de las sociedades dependen inevitablemente del abastecimiento de fuentes de agua en buenas condiciones. Gracias al agua, existe la vida tal como la conocemos y por eso, cuidar este recurso es una responsabilidad de todos. 14 Módulo 1 Clase 1

15 Un elemento fundamental Las civilizaciones antiguas indagaron con gran interés en los elementos constituyentes de la materia. En ese contexto, fue el filósofo griego Tales de Mileto uno de los primeros en descubrir el inmenso potencial del líquido vital durante el siglo VI a.c. Tales de Mileto consideraba que el agua era el principio de todas las cosas, y encontraba allí el origen de los seres. A partir de esa idea, comenzó a utilizar la denominación arché para definir al agua. Los sabios de aquel entonces querían saber de qué estaban hechas todas las cosas que formaban parte de nuestro universo. Consideraban que estas podían descomponerse, partiendo de fracciones complejas hasta llegar a aquellas más simples y elementales. La doctrina de los cuatro elementos, creada por el filósofo Empédocles, estableció que el aire, el fuego, el agua y la tierra eran los determinantes de las primeras causas materiales. Estos elementos se encuentran presentes en las sustancias que existen a nuestro alrededor y, el agua, en consecuencia, es uno de los componentes básicos de todo aquello que podemos encontrar en la Tierra. Módulo 1 Clase 1 15

16 2. La composición química y características físicas del agua Composición química del agua El agua es un compuesto formado por dos átomos de hidrógeno unidos covalentemente a uno de oxígeno (un enlace covalente es aquel que tiene lugar entre átomos al compartir pares de electrones). En cada molécula de agua, hay dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, por lo que su fórmula química es H 2 O. Los enlaces poseen polaridad y en el caso del oxígeno, al presentar mayor afinidad electrónica, generan la atracción del par de electrones hacia sí. H 2 O Se trata de una molécula neutra que, al estar formada por un elemento muy electronegativo (el oxígeno) y por otro electropositivo (el hidrógeno), cuenta con un carácter bipolar. O Esto provoca que la molécula se comporte como si por un extremo tuviera carga negativa y por otro, carga positiva. Gracias a esta característica es capaz de disolver muchas sustancias y puede mantenerse en estado líquido entre los 0 C y los 100 C. H H A pesar de que el agua posee poca actividad química, facilita y hace posibles muchas reacciones de este tipo. Esta posibilidad está dada por su capacidad de disociar, en iones, las moléculas de las sustancias con las que se combina. Composición de la molécula de agua. * Más información sobre la molécula del agua en el Anexo La molécula de agua, donde se ahonda en su estructura molecular, en sus propiedades y en sus particularidades. 16 Módulo 1 Clase 1

17 Características físicas del agua Según la definición clásica, el agua pura es un líquido con las siguientes características: incoloro (no tiene color), inodoro (no tiene olor) e insípido (no posee sabor). Sin embargo, no toda el agua es igual, ya que en ella se disuelven otras sustancias, como por ejemplo las sales minerales, en diferentes proporciones. Si bien es incolora, en espesores de más de un metro, adquiere una coloración azul verdosa debido a la absorción de la luz. Otra de sus características físicas es la posibilidad de cristalizarse en forma de nieve o de hielo. El agua es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Módulo 1 Clase 1 17

18 3. Las propiedades del agua El agua tiene una serie de propiedades y características que la hacen única. Veamos a continuación cuáles son las principales: Tres estados de agregación Entre los 0 C y los 100 C, el agua se mantiene en estado líquido. Por debajo de los 0 C, se congela (estado sólido) y por encima de los 100 C, se evapora (estado gaseoso). Agua líquida bajo hielo La dilatación anómala es una de las propiedades más curiosas del agua, ya que por lo general, cuando a un cuerpo se lo enfría, se contrae; pero en el agua ocurre lo contrario: cuando se congela, se dilata; es decir, aumenta de volumen y es menos densa. Por eso, gracias a la dilatación anómala, el hielo flota y en invierno, algunos espejos de agua congelan la capa superficial permitiendo que la vida continúe por debajo de esa corteza helada. En los ecosistemas acuáticos, esta propiedad es muy notable porque además, esa capa congelada termina actuando como aislante de las bajas temperaturas, protegiendo del frío exterior a las plantas y a los animales subacuáticos, que logran la sobrevivencia en esos meses del año. PH neutro En la escala de PH (parámetro que indica la acidez o alcalinidad de una solución), se considera al agua como neutra, es decir, ni de carácter ácido, ni básico. El valor asignado para dicha neutralidad es de 7, ya que por debajo de ese número se encuentran las soluciones ácidas, mientras que por encima podemos ubicar las básicas. Dilatación anómala El agua tiene un alto índice específico de calor, y por esta razón, puede absorber mucho calor antes de empezar a calentarse. Y, gracias a su capacidad calorífica, es capaz de almacenarlo. Mayor calor específico Tiene un alto índice específico de calor, y por esta razón, puede absorber mucho calor antes de empezar a calentarse. Y, gracias a su capacidad calorífica, es capaz de almacenarlo. Poder disolvente Por su capacidad de diluir más sustancias que cualquier otro líquido, es un disolvente prácticamente universal. El agua líquida cuenta con moléculas que pueden dispersar otras sustancias, que quedan mezcladas sin perder su propia composición. Por lo tanto, el agua es un solvente natural de sustancias gaseosas, líquidas y sólidas. A esta propiedad se la llama fenómeno de disolución. Elasticidad Gracias a esta propiedad, el agua puede moverse, por ejemplo, a través de las raíces de las plantas y en los cuerpos. 18 Módulo 1 Clase 1

19 Capilaridad Las moléculas de agua se atraen entre sí y mojan los espacios existentes entre otras sustancias. De esta manera, el agua se desplaza hacia arriba o en forma horizontal a través de pequeños espacios y puede atravesar cuerpos sólidos por sus poros. Módulo 1 Clase 1 19

20 4. El agua como líquido vital Todos los seres están compuestos estructuralmente por agua y se mantienen vivos gracias a sus propiedades y a su permanente circulación, hechos que la convierten en un elemento indispensable de la vida. En las células, el agua es el medio en el cual se producen las reacciones metabólicas y se transportan las sustancias a todo el organismo. El protoplasma, material que forma las células que componen a todos los seres vivos, también está formado por sustancias disueltas en agua. Todos los fenómenos vitales funcionan a base de la circulación de líquidos (como la sangre, en el caso de los animales, o la savia, en el caso de los vegetales). En estos líquidos, el agua es el componente principal. Por otra parte, la humedad de algunos tejidos también es fundamental para los organismos. Nuestras células dependen del agua para funcionar y debido a que cada vez que transpiramos o emitimos sustancias fuera del cuerpo perdemos nuestras reservas internas, debemos consumirla para mantenernos con vida. En consecuencia, si un organismo necesita moverse, alimentarse o multiplicarse, demandará inevitablemente el consumo de agua para lograrlo. El cuerpo humano promedio requiere aproximadamente de dos litros de agua diaria, como mínimo, para realizar adecuadamente todas las funciones biológicas. Esto lo consigue no solo a través de los líquidos ingeridos, sino también por medio del agua contenida en los alimentos. De esta forma, el cuerpo se procura la regeneración del líquido de sus células y elimina todo lo que no necesita por medio del aliento, de la transpiración y del resto de las funciones biológicas. Además de intervenir en la mayor parte de los procesos metabólicos que se realizan en los seres vivos, el agua cumple un rol central en el proceso de fotosíntesis de las plantas, y es el hábitat de una gran cantidad de especies. El agua existente en el planeta contiene sustancias disueltas de las cuales se alimentan otros organismos, como las plantas, que utilizan la propiedad de la capilaridad para hacerla circular. 20 Módulo 1 Clase 1

21 En los animales y en los seres humanos, las sustancias alimenticias, vitales para su funcionamiento, circulan por la sangre disueltas en agua. Los desechos del cuerpo son eliminados mediante la transpiración y la orina, también compuestas por agua. Cuando los seres vivos mueren y se descomponen, el agua presente en esos cuerpos se evapora. Con la muerte, diversos organismos descomponen las sustancias sólidas que se disuelven en el agua de los ríos, de los mares e incluso de las lluvias, regenerándose así la materia a través del ciclo hidrológico. El agua en los seres vivos En el ser humano En los animales En las plantas 70% de nuestro cuerpo está conformado de agua. El Entre un 75% y un 90% de las plantas está formado de agua. El 70% de nuestro cerebro está formado de agua. 90% El de nuestros pulmones es agua. Entre un 60% y un 90% del cuerpo de los animales está compuesto de agua. 99% El del cuerpo de una medusa está formado de agua. 50% Un de la masa de un árbol en crecimiento se compone de agua. Entre un 65% y un 80% de los cuerpos de los peces está formado de agua. Una planta acuática excede la media de agua. Su cuerpo llega a estar formado de un 95% de agua. El 22% de nuestro esqueleto está compuesto de agua. Necesitamos entre 1,5 y 2 litros diarios de agua para que nuestro cuerpo funcione correctamente. 40% Hasta un del cuerpo de algunos insectos está compuesto de agua. Las frutas y las verduras, en general, están compuestas de entre 70% y 95% de agua. Módulo 1 Clase 1 21

22 5. Las funciones del agua para el desarrollo de la vida Las propiedades físicas y químicas asociadas a la composición molecular del agua la convierten en un medio ideal para el desarrollo de las actividades biológicas. Hay numerosos ejemplos que dan cuenta de ello, tal como los que detallaremos a continuación. Favorece el desarrollo de la biodiversidad y permite la vida en océanos y mares. A los 100 C el agua llega a su punto de ebullición, y pasa del estado líquido al gaseoso. Su punto de congelación se alcanza a los 0 C, momento en el que se da el pasaje del estado líquido al sólido. Por lo tanto, en el intervalo de 0 a 100 C, hay un rango muy amplio de temperaturas en las que el agua se halla en estado líquido, y favorece el desarrollo de la biodiversidad, por ejemplo, en mares y océanos. Estos se encuentran poblados de peces, de moluscos y de crustáceos, cuyo hábitat es exclusivamente el agua salada. También hay plantas acuáticas, como las algas, que habitan en las profundidades y son portadoras de un alto valor nutricional. La radiación solar llega a la superficie terrestre en distintas longitudes de onda, que son absorbidas o refractadas. También lo hace sobre las masas de agua: cuanto menor sea la cantidad de sustancias y de partículas que haya en el agua, mayor será la absorción. El agua que deja pasar la luz solar en profundidad absorbe gran parte de las longitudes de onda del espectro visible, y deja pasar aquellas que coinciden con el color azul. Por este motivo, el océano y algunos lagos se ven azulados. Tal es el caso del Mar Mediterráneo, que se caracteriza por su transparencia y por una importante cantidad de luz a profundidades de metros, hecho que permite el desarrollo vertical de plancton (organismos minúsculos que viven en suspensión en el agua y que son un gran alimento para algunos seres acuáticos). Genera un ciclo hidrológico que permite la reproducción de organismos. La propiedad del agua de cambiar de estado según la temperatura, pasando de sólido a líquido, de este a gaseoso y de este a líquido nuevamente, permite establecer un ciclo hidrológico que actúa como renovador. Esta 22 Módulo 1 Clase 1

23 capacidad de regeneración posibilita alterar la concentración de sustancias disueltas en el agua, influyendo positivamente en la multiplicación de los organismos. Actúa como reguladora de las temperaturas. El calor específico es la cantidad de energía calórica que se necesita para elevar 1 C la temperatura de un kilogramo de masa. En comparación con otros compuestos, el agua necesita una mayor cantidad de calor para llegar a ese nivel, y una vez que lo alcanza, tarda mucho en enfriarse. Esta propiedad regula la temperatura de los cuerpos y les permite a los seres vivos estar protegidos cuando se producen pasajes bruscos de frío a calor (o viceversa). En ese sentido, el cuerpo de los humanos, que posee un elevado porcentaje de agua, constituye una verdadera reserva térmica. Por otra parte, el agua cumple una función de refrigerante, propiedad que está relacionada con un fenómeno denominado calor de vaporización, que es la cantidad de energía calórica que hay que sumar a un gramo de sustancia líquida para que se vaporice. El agua necesita de mucho calor para cambiar a dicho estado, lo que le permite actuar como refrigerante. En verano, frente a las elevadas temperaturas, los seres vivos transpiran eliminando agua en estado líquido que actúa como regulador natural. Además de ser termorreguladora de la temperatura de los cuerpos, el agua cumple una función similar en el proceso de regulación de la temperatura ambiental. A través de su capacidad de absorber y desprenderse del calor, genera un efecto moderador sobre las zonas costeras de los océanos. Por eso, podemos notar que la temperatura cambia gradualmente a medida que nos alejamos de las costas. Otra de las características relacionadas con la capacidad reguladora del agua es su función aislante (especialmente útil en las zonas de extremo frío). Cuando una masa de agua líquida se congela, su volumen aumenta. Esto permite que se formen hielos que flotan sobre la superficie del agua y eventualmente se convierten en un aislante térmico natural (en forma de manto de hielo sobre el agua). Si el hielo no flotara y el agua se congelara de otro modo (desde el fondo hacia la superficie, por ejemplo), la fauna y flora acuática en ciertos puntos del planeta correría serio peligro. Como vimos, en invierno algunos espejos de agua congelan la capa superficial permitiendo que la vida continúe por debajo de ella. Esta característica permite a las criaturas marinas disfrutar de su hogar líquido bajo el manto flotante del hielo invernal. Aquella capa congelada cumple un rol de protección en las bajas temperaturas, impidiendo que las aguas sean extremadamente frías en zonas polares. Módulo 1 Clase 1 23

24 6. Los tres estados del agua Como fue mencionado anteriormente, la materia se presenta en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. El estado sólido es mucho más compacto que el líquido, y este, a su vez, resulta más denso que el gaseoso. En el caso de los gases, las moléculas se hallan a amplias distancias las unas de las otras, y no hay grandes fuerzas que las unan, razón por la cual ocupan un gran volumen. Sucede de forma distinta en los líquidos, ya que sus moléculas ejercen fuerzas de atracción que reducen el volumen, y por último, en el caso de los sólidos, también las formas de presión son más definidas. El agua se hallará en un estado u otro dependiendo de la temperatura y de la presión a la que sea sometida. Los estados del agua Temperatura - + Sublimación o volatilización Fusión Evaporación Sólido Solidificación Líquido Condensación Gaseoso Sublimación regresiva, desublimación o deposición 24 Módulo 1 Clase 1

25 Características del agua en estado líquido Los líquidos son un estado de agregación de la materia intermedio entre los gases y los sólidos. Entre las moléculas de los líquidos, hay fuerzas de atracción que impiden su separación y por eso, se adaptan a la forma del recipiente que los contiene. Son compresibles, debido a que el espacio entre sus moléculas es despreciable frente al volumen total de estas. A diferencia de los sólidos, que son incompresibles porque sus moléculas poseen unas fuerzas de atracción muy intensas. El agua, en estado líquido, se distingue del resto de los estados debido a una serie de características: Fluidez Esta particularidad hace que las moléculas de agua puedan deslizarse al ser sometidas a una fuerza. Cuanto más aumente el tamaño de las moléculas, más les costará moverse unas sobre otras. Viscosidad Es la resistencia que los líquidos ofrecen a fluir, y se debe a las fuerzas internas de rozamiento que poseen las moléculas. En ella siempre resulta determinante la temperatura. Escala térmica El hecho de que el agua hierva a 100 C y se congele a 0 C no es arbitrario. Se ha convenido establecer la escala de medida decimal -en grados centígrados- de la temperatura, fijando el 0 en la temperatura de congelación del agua, y los 100 en la temperatura en el punto en que el agua entra en ebullición. ºF ºC Tensión superficial En la superficie de los líquidos, una molécula no está completamente rodeada por otras. En efecto, allí es atraída por sus vecinas y por las que se encuentran debajo, y la fuerza de atracción es dirigida hacia el interior del líquido. Las moléculas superficiales forman, como consecuencia, una capa relativamente resistente. Es posible variar la tensión superficial de un líquido disolviendo en él ciertas sustancias (tales como los detergentes), que la reducen en gran medida. También puede disminuir cuando se produce un aumento de la temperatura Punto de ebullición 32 0 Punto de congelación Termómetro Puntos de ebullición y de congelación en las dos escalas de medida: Celsius y Fahrenheit. Módulo 1 Clase 1 25

26 Características del agua en estado sólido En estado sólido el agua también tiene sus propiedades específicas. Cada molécula está enlazada a otras cuatro, por medio de uniones puente de hidrógeno. De este modo, se forma una red tridimensional ordenada. Una de las principales características de los sólidos es la baja movilidad de las moléculas que los constituyen. Características del agua en estado gaseoso Al igual que en el caso de cualquier otra sustancia en estado gaseoso, las moléculas se encuentran a grandes distancias unas de otras, y hay entre ellas grandes espacios vacíos. Debido a esta separación, las interacciones intermoleculares son débiles (casi nulas). La mayor distancia que hay entre las moléculas de vapor, si se realiza una comparación con el agua líquida, puede notarse en el hecho de que la misma masa (1 g) ocupa un volumen veces mayor en estado gaseoso que en estado líquido. A qué se debe esta situación? Sucede que, tal como se explicó anteriormente, la mayor parte del volumen es vacío, a causa de los espacios libres que hay entre las moléculas. 26 Módulo 1 Clase 1

27 7. Los cambios de estado del agua El agua, como vimos, se presenta en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. El pasaje del estado líquido al gaseoso se llama evaporación y la transformación del estado gaseoso en estado líquido se denomina condensación. Por ejemplo, si tenemos un trozo de hielo en un vaso y lo dejamos el tiempo suficiente a una temperatura adecuada (más de 0 C), tendremos agua en estado líquido. Si lo seguimos calentando hasta que hierva, obtendremos agua en estado de vapor. Pero cómo es que ocurren estos cambios de estado? Desde un punto de vista energético, se dan cuando un sistema absorbe o libera energía, generalmente, en forma de calor. En el caso del sólido, cuando absorbe calor, va aumentando la energía cinética de las partículas que lo forman hasta llegar a vencer la fuerza de atracción entre ellas. Así, se rompe la estructura cristalina (si es un sólido cristalino), y pasa al estado líquido. Si se sigue calentando, entregando energía al líquido, la energía cinética de las moléculas aumenta hasta el punto de vencer por completo las fuerzas de atracción entre ellas, y la sustancia pasa al estado gaseoso. En cambio, si el proceso ocurre en sentido inverso, el sistema libera energía. Por lo tanto, pierde calor y se enfría. Como resultado, las partículas tienen cada vez menos energía cinética, y las fuerzas de atracción adquieren cada vez mayor influencia. Cada cambio de estado recibe un nombre específico, que detallaremos a continuación. Módulo 1 Clase 1 27

28 Evaporación Se llama evaporación al fenómeno a través del cual un líquido, con su superficie libre, desaparece gradualmente. Es, en definitiva, el paso de líquido a gas, a cualquier temperatura. Si bien el paso de líquido a gas recibe el nombre genérico de vaporización, es denominado evaporación cuando el cambio de estado se produce solo en la superficie que está en contacto con la atmósfera. Un ejemplo es el agua de un charco que se evapora por el calor del Sol. Cuando el cambio de estado se produce en toda la masa, estamos ante un proceso de ebullición (es el caso del agua que hierve en una olla al cocinar). Cada líquido puro hierve a una temperatura determinada y a presión constante. Aquella temperatura en la que la presión de un líquido iguala a la presión de la atmósfera que lo rodea es llamada punto de ebullición. En el caso del agua, a presión de 1 atm, pasa de líquido a vapor a los 100 C. Condensación Se llama condensación al proceso por el cual una sustancia en estado gaseoso pasa al estado líquido. En el caso del agua, esto ocurre por ejemplo cuando el vapor del agua en ebullición toca una superficie fría (como las paredes del baño cuando nos duchamos). En ese momento, vuelve al estado líquido (y por eso vemos las gotitas en el espejo del baño). Si el recipiente que contiene un líquido se encuentra abierto, sus moléculas escapan hacia la atmósfera, y pocas regresan a la superficie del líquido. En cambio, si el recipiente está cerrado, las moléculas no pueden huir, y algunas serán atrapadas nuevamente por las moléculas del líquido. De esta forma tiene lugar la condensación. La saturación se producirá cuando se condensen tantas partículas por segundo como las que se vaporizan en el mismo tiempo. El término condensación se utiliza cuando una sustancia a temperatura ambiente es líquida y por algún motivo se encuentra en estado de vapor; entonces, al enfriarse, decimos que condensa. Por ejemplo, el vapor de agua que condensa sobre el espejo del baño. Llegado el punto de saturación, el espacio que queda sobre el líquido poseerá un número constante de moléculas en estado de vapor que ejercen una presión constante, denominada presión de vapor. Solidificación o congelación Se denomina así al paso del estado líquido al estado sólido. Fusión Es el proceso inverso a la solidificación, y consiste en el paso del estado 28 Módulo 1 Clase 1

29 sólido al estado líquido, con la correspondiente absorción del calor. Sublimación Es el proceso mediante el cual se produce el pasaje directo del estado sólido al estado gaseoso. Estados del agua y su transformación Gaseoso (vapor de agua) Desublimación (calor desprendido) Condensación (calor desprendido) Sublimación (calor absorbido) Evaporación (calor absorbido) Sólido (hielo) Líquido Solidificación (calor desprendido) Fusión (calor absorbido) Módulo 1 Clase 1 29

30 8. Los estados del agua a lo largo del planeta En la superficie terrestre, es posible encontrar agua en todos los estados. En estado líquido puede hallarse en cuencas y en reservorios (mares y océanos; lagos, lagunas, ríos, esteros y humedales, y acuíferos y napas), mientras que en estado sólido es posible encontrarla en depósitos de hielo polar y en glaciares. Además de estar presente en los cuerpos y en las sustancias, el agua forma parte de la atmósfera. En su forma gaseosa de vapor de agua, conforma la humedad atmosférica. Este es uno de los estados más importantes, ya que a partir de su presencia y proporción, se componen y distribuyen los distintos climas. Las precipitaciones dependen de la humedad atmosférica, que es el porcentaje de vapor de agua presente en el aire. La distribución geográfica de las grandes masas de agua proporciona humedad a diversas zonas, donde se generarán precipitaciones convectivas, orográficas o de frente, convirtiendo a vastas áreas en húmedas, secas o desérticas, de acuerdo a la circulación de los vientos. El ciclo del agua constituye un elemento básico para el sistema climático. En zonas de clima cálido, el agua se evapora. El vapor es más liviano y tiende a subir hacia las capas superiores de la atmósfera, donde la presión atmosférica es menor, por la baja temperatura. Allí se forman pequeñas gotas que quedan en suspensión en el aire conformando nubes. Al precipitar, estas gotas vuelven a la cuenca que le dio origen al ciclo del agua. 30 Módulo 1 Clase 1

31 Régimen de precipitaciones en el mundo Precipitación anual promedio (en mm): (129) (80) (40) 500 (20) 250 (10) Debajo 250 Zonas según precipitación anual promedio mm (ejemplos: centro de la región amazónica, Malasia, Indonesia y Nueva Guinea) mm (ejemplos: costa atlántica de Nigeria, Ghana y Costa de Marfil, Vietnam y región del Amazonas) mm (ejemplos: África central, Brasil, Tailandia y costa este de Estados Unidos). 500 mm (ejemplos: La Pampa y Buenos Aires, en Argentina, México y la mayor parte de Europa -Francia, Alemania y Europa del Este). 250 mm (ejemplos: Turquía, extremo oeste de Australia, Kazajistán y parte de Rusia). Menor a 250 mm (ejemplos: desierto del Sahara, Somalia, Siberia, diagonal árida de América del Sur -desde el desierto de Atacama hasta la Patagonia argentina- y centro de Australia). El régimen de precipitaciones determina el clima de un territorio y, por lo tanto, su diversidad biológica, su acceso al agua y, en consecuencia, las actividades que el hombre puede realizar en la zona. Como observamos en la ilustración de las zonas de mayor y menor humedad, las zonas áridas y secas del planeta son más abundantes. Módulo 1 Clase 1 31

32 9. El ciclo del agua Gracias al ciclo del agua, la misma agua circula una y otra vez por nuestro planeta, de forma constante, adoptando así distintos estados. Su eficacia y renovación dependen estrechamente de las condiciones geográficas, biológicas y climáticas. El ciclo cuenta con las siguientes etapas: 1. Formación de vapor de agua Las moléculas de agua, que están unidas en estado líquido, se separan y se transforman en vapor. 2. Evaporación La radiación solar convierte al agua que se encuentra en forma líquida en vapor de agua, que a su vez puede formar las nubes. Estas son llevadas por los vientos a lo largo de miles de kilómetros. 3. Condensación Cuando el vapor alcanza capas atmosféricas con temperaturas bajas, se condensa y vuelve al estado líquido. 4. Precipitación Como adquiere mayor peso, el agua cae en forma de lluvia, de nieve o de granizo. De esta forma, alimenta ríos y lagos, regresando al mar. 5. Infiltración El agua de lluvia es absorbida por el suelo y pasa a los sistemas de aguas subterráneas. Las plantas, que la utilizan para realizar su fotosíntesis, la devuelven a la atmósfera a través de la transpiración. 32 Módulo 1 Clase 1

33 Ciclo del agua Precipitación (lluvia, nieve o granizo) Transpiración Solidificación Evaporación Escorrentía superficial Océanos Lago Flujo de retorno Infiltración Flujo de agua subterránea Módulo 1 Clase 1 33

34 10. El agua dulce Si bien el agua ocupa el 70% de la Tierra, hay que tener en cuenta que un 97% es salada. Además, el 99,5% de esa agua dulce se encuentra ubicada en zonas de difícil acceso: ya sea en forma de hielo, como en el caso de los casquetes polares y los glaciares, o en capas subterráneas. Por lo tanto, solamente un 0,5% de agua dulce es accesible para ser extraída por el hombre, potabilizada y convertida en apta para el consumo humano. Este tipo de agua es la que podemos ver en los distintos ríos y lagos de la superficie del planeta. 34 Módulo 1 Clase 1

35 Distribución del agua en el planeta 97% Salada 3% Dulce de km 3 69,5% Polos, glaciares y permafrost km 3 30% Agua subterránea km 3 0,5% Superficie continental y atmósfera km 3 67,4% 12,2% 9,5% 8,5% 1,6% 0,8% Lagos Humedad del suelo Atmósfera Humedales Ríos Seres vivos Como observamos, el agua dulce disponible, como fuentes superficiales y subterráneas, es menor del 1% del total del planeta. Módulo 1 Clase 1 35

36 11. Un recurso natural escaso El agua ha estado siempre presente en la evolución de la sociedad como elemento condicionante para el desarrollo de diversas actividades humanas, tales como la agricultura, la ganadería y la industria. Desde la Revolución Industrial en adelante, se la requirió como insumo tanto de las máquinas como de los procesos productivos. Por otra parte, la energía hidroeléctrica representa, en muchos países del mundo y particularmente de América Latina, una fuente muy importante: se han construido grandes represas en ríos de llanura y de montaña. Si bien el agua se renueva todo el tiempo, como observamos, a través de su ciclo hidrológico, lo cierto es que con el aumento de la población y del consumo, cada vez más personas se ven afectadas por su escasez. La necesidad de agua dulce crece cada año: el consumo se multiplicó por nueve entre 1900 y el 2000, mientras que la cantidad de habitantes se multiplicó por seis. El problema no es solo que se está utilizando mucha más agua que antes, sino que además la malgastamos. Fenómenos como la contaminación, el impacto ambiental y el cambio climático continúan agravando la problemática porque impiden que el agua pueda volver a ser reutilizada. Revertir esta tendencia puede convertirse en uno de los mayores desafíos que enfrenta la humanidad en un mundo de constante cambio. * Para saber más sobre la falta de agua en el planeta, consulte el Anexo Agua en nuestro mundo, donde se repasan todos los usos que se le da, el valor que tiene en la sociedad y cómo el ser humano cumple un papel clave en su escasez. La falta de agua es actualmente una de las grandes preocupaciones de los países a nivel internacional, por el impacto social, económico y político que genera la situación. En este marco, resulta vital la planificación ambiental para un uso más racional de los recursos hídricos, así como también pensar en la importancia de su reutilización. 36 Módulo 1 Clase 1

37 En un momento en el que el mundo sienta las bases de un futuro más sostenible, la vital interrelación entre el agua, los alimentos y la energía plantea uno de los problemas más difíciles a los que nos enfrentamos. Sin agua no hay dignidad ni se puede escapar de la pobreza. Este fue el mensaje que brindó el Secretario General de las Naciones Unidas, Ban Ki-moon, durante la conmemoración del Día Mundial del Agua A lo largo de este curso, se continuará profundizando sobre la importancia de cuidar este recurso vital. Módulo 1 Clase 1 37

38 Fuentes bibliográficas - CANAL ENCUENTRO. Ciclo del agua, agua como componente vital. Capítulo 1. - CÁTEDRA DE CLIMATOLOGÍA DE LA FACULTAD DE FILOSOFÍA Y LETRAS. Apuntes sobre tiempo y clima. FFyL, UBA, Buenos Aires. - CEPAL. Centro de prensa de la Comisión Económica para América Latina y el Caribe. - CORTE, MARCELA. Ecología: la ciencia de la vida que enseña a convivir. Cuenta conmigo ediciones, Rosario, COFES. La problemática de los recursos hídricos. Buenos Aires, D ENTREMONT, ALBAN. Geografía Económica. Ed. Cátedra, Madrid, Capítulo 3. - DELGADO RAMOS, G. El carácter geoeconómico y geopolítico de la biodiversidad: el caso de América Latina. Gestión ambiental y conflicto social en América Latina. CLACSO, Buenos Aires, DI PACE, M. (Coordinadora). Las utopías del medio ambiente. Desarrollo sustentable en la Argentina. CEAL, Buenos Aires, GLIGO, N. Situación y perspectivas ambientales en América Latina y el Caribe. Revista de la CEPAL Número JENKINS, DAVID. Química del agua. Limusa Noriega Editores, México, LACREU, LAURA (compiladora). El agua: Saberes escolares y perspectiva científica. Editorial Paidós, Buenos Aires, MINISTERIO DE EDUCACIÓN. Química: Materiales, agua y suelo. Serie Cuadernos para el aula. - MOLINA, MARIO; ANGER, NATALIE. Hydros. Editorial Landucci, México, MORENO, PATRICIA SUSANA; ZUCCARO, LETICIA. Nociones básicas de química. Programa UBA XXI. - MORELLO, J. Manejo integrado de recursos naturales. Seminario sobre Articulación de Ciencias. CIFCA/ ORPAL/ COLCIENCIAS, Bogotá, ONU. Programa Hidrológico Internacional (PHI) de la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) a través del programa Agua y Educación para las Américas, y el Servicio Geológico de los Estados Unidos (U.S. Geological Survey). - POLANSKI, J. Geografía física general. EUDEBA, Buenos Aires, Caps. 3, 4, 5, 6, 7, 8. - Reporte de sustentabilidad de Aysa. - Secretaría de Medio Ambiente:

39 Recomendaciones para el docente De acuerdo con los diseños curriculares vigentes, para el nivel inicial, la escuela primaria y la secundaria, los contenidos de esta clase sirven para el abordaje de los siguientes puntos: Nivel inicial El reconocimiento de la existencia de fenómenos del ambiente y de una gran diversidad de seres vivos Primer ciclo de escuela primaria La aproximación al concepto de paisaje como el conjunto de elementos observables del ambiente (incluyendo el agua, el aire, la tierra, el cielo, los seres vivos), reconociendo su diversidad, algunos de sus cambios y posibles causas, así como los usos que las personas hacen de ellos. La comprensión de los cambios, los ciclos y los aspectos constantes del paisaje y del cielo. Segundo ciclo de escuela primaria Los principales recursos naturales en el presente. Distribución y localización. Tipos básicos de explotación. La descripción de las principales características de la hidrósfera, sus relaciones con los otros subsistemas terrestres y de los principales fenómenos que se dan en esta (por ejemplo, corrientes y mareas). La caracterización del ciclo del agua. La caracterización de los ambientes aeroterrestres cercanos, comparándolos con otros lejanos y de otras épocas, estableciendo relaciones con los ambientes acuáticos y de transición. Escuela secundaria Elementos y procesos del medio físico. Tipos climáticos, áreas geomorfológicas, tipos de suelo, cuencas hídricas, paisajes naturales. Localización y evaluación de los recursos. El conocimiento de diferentes ambientes del mundo, así como la identificación de los distintos tipos de recursos naturales, su valorización y sus variadas formas de aprovechamiento.

40 *Anexo 1. La molécula de agua El agua es el compuesto más abundante de la Tierra, el medio universal en el que se producen todas las actividades biológicas y un recurso natural irremplazable. Está en todos lados: en lo que bebemos y comemos; en nuestras actividades de higiene; en todos los procesos productivos; en los ríos, mares, lagunas y glaciares, etcétera. El agua tiene varias propiedades extraordinarias que la hacen especialmente adecuada para cumplir su papel esencial en los seres vivos. Para comprender por qué es tan especial, debemos considerar su estructura molecular: para eso, vamos a verla en profundidad. Es allí donde encontraremos la explicación de estas características únicas. Los átomos Al mirar algo bien de cerca, se puede ver su estructura molecular, que es la distribución de los átomos por medio de enlaces químicos que hay en un elemento. Los átomos están compuestos de protones, que tienen carga positiva; por neutrones, que tienen carga neutra, y por electrones, que tienen carga negativa. Una molécula es una agrupación de al menos dos átomos, unidos por enlaces de tipo covalente, que forman un sistema estable. Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo del átomo. Los electrones, por su parte, se encuentran fuera de este, distribuidos en varias capas: la primera puede tener hasta 2 electrones. La segunda, hasta 8. Cuando un átomo cuenta con esta cantidad de electrones distribuidos de esta manera, está en equilibrio. Los átomos El átomo por dentro Núcleo del átomo La primera capa puede tener hasta 2 electrones. Electrón La segunda capa, hasta 8 electrones. Protón Neutrón Protón (p + ) Neutrón Electrón (e - ) 40 Módulo 1 Clase 1

41 La molécula Cada molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno, que están unidos de forma covalente a uno de oxígeno. La conocemos como H 2 O, que es su fórmula química. H es el símbolo del hidrógeno, dos porque lleva dos átomos de estos y O es el símbolo del oxígeno, que lleva 1 solo. El hidrógeno es el elemento más pequeño de la tierra y puede prestar parte de su carga a otros átomos, quedando cargado positivamente. El oxígeno tiene un tamaño bastante mayor y, en función de los átomos que lo rodeen, puede dejar zonas de la molécula con carga negativa. Expliquemos esto: si vemos la tabla periódica, el hidrógeno tiene solo 1 electrón, mientras que el oxígeno cuenta con 8 electrones. Los 8 electrones del oxígeno se distribuyen en 2 en la primera capa y 6 en la segunda. Como vimos, el número ideal de electrones en la segunda capa es de 8, con lo que al oxígeno le faltan 2 electrones para llegar al equilibrio. Es así que el oxígeno encontrará estos dos electrones faltantes en dos átomos de hidrógeno, cada uno de los cuales necesita de un electrón para completar la primera capa. Los átomos comparten, así, electrones. Enlaces covalentes de la molécula de agua Enlaces covalentes de la molécula de agua 8 e - 8 p + 1 e - Oxígeno 1 e - 1 p + 1 p + Hidrógeno Hidrógeno Simboliza el e - compartido del oxígeno Simboliza el e - compartido del hidrógeno Para formar una molécula de agua se une un átomo de oxígeno con dos de hidrógeno. Cuando comparten electrones, se crean enlaces covalentes que los mantiene unidos manteniendo formada la molécula. Módulo 1 Clase 1 41

42 Estas particularidades hacen que la molécula de agua tenga una forma triangular y se pueda unir por sus cargas positivas o negativas a distintas moléculas: se trata de una molécula bipolar. Incluso, permiten la formación de un tipo de unión muy particular, conocida como puente de hidrógeno. Este enlace se debe a que la molécula funciona como un imán, que atrae cargas positivas a su carga negativa (que se encuentra del lado del oxígeno) y cargas negativas a su carga positiva (que se encuentra del lado de los hidrógenos). Aunque los enlaces del puente de hidrógeno no son los más resistentes que existen, se requiere mucha energía para romperlos. Gracias a estas características de la molécula del agua, esta tiene las propiedades que le conocemos. Por ejemplo, es capaz de disolver muchas sustancias y puede mantenerse en estado líquido entre los 0 a 100 C. Y es gracias a esta pequeña molécula que hay vida en nuestro planeta. Polímeros de de moléculas de agua Enlace puente de hidrógeno En la molécula de agua, los electrones de los dos hidrógenos están desplazados hacia el átomo de oxígeno, lo que la convierte en una molécula polar; alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los átomos de hidrógeno quedan parcialmente desprovistos de sus electrones y manifiestan, por lo tanto, una densidad de carga positiva. Esta polaridad es la que facilita la formación de polímeros. Módulo 1 Clase 1

43 El agua tiene muchas características que hacen de ella una sustancia muy especial. El hecho de que su molécula tenga polaridad, permite que pueda polimerizarse. Módulo 1 Clase 1

44 *Anexo 2. Agua en nuestro mundo El agua, como vimos, cumple funciones naturales y sociales. Es necesaria para el desarrollo de la vida en la Tierra y para que la sociedad asegure su subsistencia, ya que interviene en todas las actividades humanas. Alrededor del 70% de la superficie del planeta está compuesta por agua, y la mayoría de los seres vivos tiene una gran cantidad de agua en su organismo: constituye entre el 50% y el 95% del peso de cualquier sistema vivo. Antes de profundizar sobre los diferentes usos del agua, recordemos algunos datos esenciales: El 97% del agua es salada y se encuentra en las cuencas marinas. El 2,1% es dulce y se encuentra en zonas polares, en estado sólido. El 0,8% es agua subterránea. Y solo aproximadamente el 0,1% es la llamada agua dulce, que 0 generalmente es apta para el consumo humano. El agua interviene en la vida diaria de todos nosotros y es un elemento fundamental en las diferentes actividades económicas. Está, además, presente en todo lo que comemos y bebemos, sea de forma efectiva (las frutas y verduras, especialmente, están compuestas de más de un 70% de agua) o de forma virtual interviniendo en los procesos de elaboración. Este recurso ha estado presente en la evolución histórica de la sociedad, y es un elemento condicionante para el desarrollo de diversas actividades humanas, como la agricultura, la ganadería y prácticamente todos los procesos productivos. En el sector primario, se utilizan grandes cantidades de agua, lo que lo transforma en un área con grandes problemas relacionados con el derroche del recurso: más del 35% se desperdicia. La actividad agrícola, por ejemplo, utiliza el agua para el riego, cuyos sistemas deben adaptarse al clima para dar cuenta de un uso eficiente del recurso. En el área industrial, la necesidad de generar energía requiere grandes cantidades de agua. Desde la Revolución Industrial, las máquinas y los procesos productivos utilizan al agua, y esta es a su vez insumo y componente de muchos otros productos. Por ejemplo, el agua es usada como refrigerante de equipos y transportador de calor, haciéndolo en forma líquida o como vapor de agua. También es utilizada para calefaccionar edificios y otras instalaciones. A esto nos referíamos al hablar del agua virtual de los productos que consumimos: muchos litros son utilizados durante los 44 Módulo 1 Clase 1

45 procesos productivos, y cada producto ha utilizado una cantidad determinada de agua para llegar a ser lo que es a la hora de ser consumido. Como productora de energía, el agua es utilizada para mover turbinas productoras de electricidad en las usinas basadas en reactores atómicos, es decir que es necesaria para generar energía nuclear. Por su parte, la energía hidroeléctrica representa, en muchos países del mundo y particularmente de América Latina, una fuente energética muy importante. Grandes represas se han construido en diversos ríos de llanura y de montaña, abasteciendo así con energía hidroeléctrica a gran cantidad de personas. Otro de los usos más antiguos es en el proceso de extracción de minerales, como la sal. Esta es extraída de las grandes salinas, y también desde el mar. En este último caso, la forma más fácil y económica de extraerla es a través de estanques artificiales que se construyen sobre la costa. El agua de mar es contenida en estos, donde evapora por la acción de los rayos solares, dejando la sal en los estanques. Otros procesos de extracción minera insumen también grandes cantidades de agua, ya que se la utiliza, junto a otras sustancias químicas, para separar el mineral de la roca. En la vida diaria, el agua es indispensable para realizar tareas de higiene y aseo, previniendo enfermedades y permitiendo un buen funcionamiento del cuerpo humano. Los servicios de abastecimiento de agua potable y de saneamiento son imprescindibles para garantizar un buen desarrollo de la vida urbana. Sin embargo, también en este caso el recurso se encuentra expuesto a derroches y malos usos. Por ejemplo, la utilización de agua potable para la limpieza de calles o en los depósitos de los baños, prácticas comunes en muchos países (como la Argentina), gastan enormes cantidades del líquido vital. Resulta irónico que pese al papel fundamental del agua para todos los seres vivos, el suministro del agua en el mundo esté en grave peligro debido a las actividades humanas. El hombre está contaminando las fuentes de agua dulce de la superficie del planeta, las aguas subterráneas y los océanos con residuos tanto naturales como industriales. Es necesario generar políticas de utilización del agua a nivel mundial, porque es una forma de proteger nuestra casa y por ende, de protegernos a nosotros mismos y a las generaciones futuras. Módulo 1 Clase 1 45

46 AGUA (2482) Vida Líquida Sembrando valores, sembramos futuro Agua y Saneamientos Argentinos S.A.

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48 Subsecretaría de Recursos Hídricos Secretaría de Obras Públicas Ministerio de Planificación Federal, Inversión Pública y servicios Presidencia de la Nación