Ciclo Hidrológico del Agua

CICLO HIDROLÓGICO DEL AGUA

El ciclo hidrológico o ciclo del agua es el proceso de circulación del agua entre los distintos compartimientos de la hidrósfera. Se trata de un ciclo biogeoquímico en el que hay una intervención mínima de reacciones químicas, y el agua solamente se traslada de unos lugares a otros o cambia de estado físico.

FASES DEL CICLO HIDROLÓGICO

Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son:
EVAPORACION: El agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie terrestre y también por los organismos, en el fenómeno de la transpiración en plantas y sudoración en animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10% al agua que se incorpora a la atmósfera. En el mismo capítulo podemos situar la sublimación, cuantitativamente muy poco importante, que ocurre en la superficie helada de los glaciares o la banquisa.

CONDENSACION: El agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituidas por agua en pequeñas gotas.
PRESIPITACION: Se produce cuando las gotas de agua que forman las nubes se enfrían acelerándose la condensación y uniéndose las gotitas de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razón a su mayor peso. La precipitación puede ser sólida (nieve o granizo) o líquida (lluvia).

INFILTRACION: Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a través de sus poros y pasa a ser subterránea. La proporción de agua que se infiltra y la que circula en superficie (escorrentía) depende de la permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura vegetal. Parte del agua infiltrada vuelve a la atmósfera por evaporación o, más aún, por la transpiración de las plantas, que la extraen con raíces más o menos extensas y profundas. Otra parte se incorpora a los acuíferos, niveles que contienen agua estancada o circulante. Parte del agua subterránea alcanza la superficie allí donde los acuíferos, por las circunstancias topográficas, intersecan (es decir, cortan) la superficie del terreno.
ESCORRENTIA: Este término se refiere a los diversos medios por los que el agua líquida se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno. En los climas no excepcionalmente secos, incluidos la mayoría de los llamados desérticos, la escorrentía es el principal agente geológico de erosión y de transporte de sedimentos.

CIRCULACION SUBTERRANEA: Se produce a favor de la gravedad, como la escorrentía superficial, de la que se puede considerar una versión. Se presenta en dos modalidades:

Primero, la que se da en la zona vadosa, especialmente en rocas karstificadas, como son a menudo las calizas, y es una circulación siempre pendiente abajo.
Segundo, la que ocurre en los acuíferos en forma de agua intersticial que llena los poros de una roca permeable, de la cual puede incluso remontar por fenómenos en los que intervienen la presión y la capilaridad.

FUSION: Este cambio de estado se produce cuando la nieve pasa a estado líquido al producirse el deshielo.

SOLIDIFICACION: Al disminuir la temperatura en el interior de una nube por debajo de 0° C, el vapor de agua o el agua misma se congelan, precipitándose en forma de nieve o granizo, siendo la principal diferencia entre los dos conceptos que en el caso de la nieve se trata de una solidificación del agua de la nube que se presenta por lo general a baja altura. Al irse congelando la humedad y las pequeñas gotas de agua de la nube, se forman copos de nieve, cristales de hielo polimórficos (es decir, que adoptan numerosas formas visibles al microscopio), mientras que en el caso del granizo, es el ascenso rápido de las gotas de agua que forman una nube lo que da origen a la formación de hielo, el cual va formando el granizo y aumentando de tamaño con ese ascenso. Y cuando sobre la superficie del mar se produce una manga de agua (especie de tornado que se produce sobre la superficie del mar cuando está muy caldeada por el sol) este hielo se origina en el ascenso de agua por adherencia del vapor y agua al núcleo congelado de las grandes gotas de agua. El proceso se repite desde el inicio, consecutivamente por lo que nunca se termina, ni se agota el agua.

COMPOSICIÓN QUÍMICA

El agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O) unidos mediante sendos enlaces covalentes, de manera que la molécula tiene una forma triangular plana. Es decir los átomos de hidrógeno y oxígeno están separados entre sí aproximadamente 0,96 Angstroms (más o menos un nanómetro – una milmillonésima de metro) y el ángulo que forman sus líneas de enlace es de unos 104,45 grados.

Además el agua se comporta como un dipolo, es decir tiene dos regiones con una cierta carga eléctrica. Una de ellas es positiva y la otra negativa.

El hecho de que el agua sea un dipolo se debe a que el hidrógeno y el oxígeno son átomos muy distintos desde el punto de vista de la electronegatividad. Es esta una propiedad atómica que indica la forma en que un átomo atrae hacia si los electrones que comparte con otro en un enlace covalente.

En el caso del agua, el oxígeno es un átomo muy electronegativo. El hidrógeno es un átomo muy poco electronegativo. Los electrones que comparten en los dos enlaces covalentes que presenta la molécula de agua están “desplazados” hacia la región ocupada por el oxígeno. Esto implica que esa zona tenga un poco más (un diferencial) de carga negativa, mientras que los hidrógenos tienen diferenciales de carga positiva. Decimos que tiene diferenciales de carga para resaltar que el agua NO es una molécula cargada eléctricamente, el agua NO ES UN IÓN. El agua, muchas otras, es una molécula polar. Esta polaridad es fundamental para entender las propiedades del agua, porqué el agua se comporta químicamente como lo hace y por extensión su importancia dentro de los seres vivos.

                                                                                   

Para saber el porcentaje de cada elemento, es cosa de sumar las masas atómicas de cada elemento y luego sacar un porcentaje:
Peso Molecular del Agua: 1 + 1 + 16 = 18 g/mol
%Hidrógeno = (2 x 1) x 100/18 = 11,11%
%Oxígeno = 16 x 100/18 = 88,89%

Por lo que el agua está constituida aproximadamente por un 11% de hidrógeno y un 89% de oxígeno.

IMPUREZAS DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Y SUPERFICIALES

FÍSICO:

•      TURBIEDAD: Arena, arcilla, humus.

•       COLOR: Materia vegetal finamente dividida.

•       OLOR: materia orgánica en descomposición.

QUÍMICO:

•      GASES: Oxígeno, nitrógeno, gas sulfhídrico, metano, anhídrido carbónico, gases raros.

•       SALES DISUELTAS: Cloruro de sodio, potasio, calcio, magnesio, nitrato de sodio sulfato de calcio, sodio, bicarbonato de calcio, sodio, potasio, silicatos, fósforo.

BACTERIOLÓGICO:

•      Bacilos Coliformes, parásitos, virus, hongos, etc.

MINERALIZACIÓN DEL AGUA

La mineralización del agua proviene del agua que se extrae del sub-suelo ya mineralizada naturalmente desde su origen, debido a los materiales por los cuales atraviesa y mientras más profunda se encuentre la fuente más pura será, esto se debe a que está más alejada de la contaminación microbiológica y química de la superficie terrestre, y esto es una de las características principales para que un agua pueda considerarse mineral natural.

Una de las mayores diferencias que podemos encontrar entre un agua natural y un agua mineral natural es el sabor, el olor y su contenido de mineralización. Estas características son proporcionadas por las rocas y arenas por la cuales en la mayoría de los casos son filtradas y le dan un toque único y especial a cada agua dependiendo de la zona que es extraída.

CONTENIDOS MINERALES

Según su contenido mineral se clasifica el agua como:

Mineralización muy débil: su residuo seco (minerales totales presentes) es de hasta 50 mg/l.
Mineralización débil: son aquellas que contienen menos de 500 mg/l.
Mineralización fuerte: contiene más de 1.500 mg/l de residuo seco.
Bicarbonatada: Contiene más de 600 mg/l de bicarbonatos.
Sulfatada: Contiene más de 200 mg/l de sulfatos.
Clorurada: Tiene más de 200 mg/l de cloruro.
Cálcica: Contiene más de 150 mg/l de calcio.
Ferruginosa: Contiene más de 1 mg/l de hierro.
Acidulada:-Contiene más de 250 mg/l de CO2.
Sódica: Tiene un contenido mayor a 200 mg/l de sodio.
Magnésica: Su contenido supera los 50 mg/l de magnesio.
Fluorada: Contiene más de 1 mg/l de fluoruros.

ESCALA DE NERST O DE LA FUERZA ELECTROMOTRIZ

Nos encontramos ahora con dos mecanismos operativos antagónicos: el gradiente de concentraciones tiende a empujar los iones K+ hacia la derecha, mientras el potencial eléctrico tiende a empujarlos hacia la izquierda. A medida que transcurre el tiempo, el gradiente de concentración se va reduciendo mientras el potencial va aumentando, por lo que se llegará a una situación de equilibrio en que los flujos de iones K+ debidos a la difusión se igualan con el flujo impulsado por las fuerzas eléctricas. En este punto, se alcanza una cierta diferencia de concentraciones y de potencial que se denomina potencial de equilibrio o potencial de Nerst:

Donde:

CA y CB son las concentraciones de las dos disoluciones.

R es la constante de los gases, de valor R=8,31 J/mol ºK.

T es la temperatura absoluta.

F es la constante de Faraday.

z es la carga del ion que se difunde.

ECUACIÓN DE NERST

La ecuación de Nerst se utiliza para hallar el potencial de reducción de un electrodo cuando la condición es estándar (concentración 1 M, presión de 1 atm, temperatura de 298 ºK ó 25 ºC).

Donde:

E = Potencial corregido del electrodo en condiciones estándar

R = Constante de los gases (R=8,31 J/mol ºK.)

T = Temperatura absoluta (Escala Kelvin ºK)

n = Cantidad de moles de electrones que participan en la reacción,

F = constante de Faraday (96500 C/mol)

Log = Es el logaritmo natural.

Q = el cociente de reacción.

Así para la reacción:

a A + b B → c C + d D

La expresión de Q es:

Donde:

"[C]" y "[D]" = Las presiones parciales y/o concentraciones molares en caso de gases o de iones disueltos, respectivamente, de los productos de la reacción.

"[A]" y "[B]“ = ídem para los reactivos.

Los exponentes son la cantidad de moles de cada sustancia implicada en la reacción (coeficientes estequiométricos).

Donde es la actividad de la especie "j"

Además se define Q como:

Donde el subíndice ins indica que las actividades son instantáneas y no las actividades de equilibrio. Por tanto, no es una constante, sino que está cambiando de forma continua hasta que se alcanza el equilibrio y entonces . El máximo trabajo que puede obtenerse, a presión y temperatura constantes, de una celda viene dado por la variación de energía libre,

Por otra parte, el potencial de celda se relaciona con la variación de energía libre mediante la ecuación:

Donde

"" es 96485 culombios por mol de electrones y "" es el número de electrones asociados al proceso

.
Combinando las dos ecuaciones anteriores se obtiene:

El término "" se denomina potencial estándar de electrodo de celda,

Por lo que, la ecuación de Nerst queda:

La constante de equilibrio para esta reacción viene dada por:

TENSIÓN SUPERFICIAL

•     Por su propiedad de cohesión, el agua tiene una gran atracción entre las moléculas de su superficie, creando tensión superficial.

•     Es la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.

•     Permite a algunos insectos, como el zapatero desplazarse por la superficie del agua sin hundirse.

•     Los detergentes tienen la capacidad para romper esta tensión superficial del agua.

•     La superficie del líquido se comporta como una película capaz de alargarse y al mismo tiempo ofrecer cierta resistencia al intentar romperla;

•     Contribuye a que algunos objetos muy ligeros floten en la superficie del agua.

•     Las gotas de agua son estables también debido a su alta tensión superficial.