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Agua

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Una gota de agua líquida
Un bloque de agua sólida ( hielo )

El agua es una sustancia química inorgánica , transparente , insípida , inodoro y casi incolora , que es el componente principal de la hidrosfera de la Tierra y los fluidos de todos los organismos vivos conocidos (en los que actúa como disolvente [1] ). Es vital para todas las formas de vida conocidas , aunque no aporta calorías ni nutrientes orgánicos . Su fórmula química es H 2 O, lo que significa que cada una de sus moléculas contiene un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno , conectados por enlaces covalentes . Dos átomos de hidrógeno están unidos a un átomo de oxígeno en un ángulo de 104,45 °. [2]

"Agua" es el nombre del estado líquido del H 2 O en condiciones estándar de temperatura y presión . Forma precipitaciones en forma de lluvia y aerosoles en forma de niebla . Las nubes consisten en gotas suspendidas de agua y hielo , su estado sólido. Cuando está finamente dividido, el hielo cristalino puede precipitar en forma de nieve . El estado gaseoso del agua es vapor o vapor de agua .

El agua cubre el 71% de la Tierra 's superficie , sobre todo en los mares y océanos . [3] Pequeñas porciones de agua se encuentran en forma de agua subterránea (1,7%), en los glaciares y los casquetes polares de la Antártida y Groenlandia (1,7%) y en el aire como vapor , nubes (que consisten en hielo y agua líquida suspendida en el aire). y precipitación (0,001%). [4] [5] El agua se mueve continuamente a través del ciclo de evaporación del agua ,transpiración ( evapotranspiración ), condensación , precipitación y escorrentía , que generalmente llega al mar.

El agua juega un papel importante en la economía mundial . Aproximadamente el 70% del agua dulce utilizada por los seres humanos se destina a la agricultura . [6] La pesca en cuerpos de agua dulce y salada es una fuente importante de alimentos para muchas partes del mundo . Gran parte del comercio de productos básicos a larga distancia (como petróleo, gas natural y productos manufacturados) se transporta en barcos a través de mares , ríos , lagos y canales . Se utilizan grandes cantidades de agua, hielo y vapor para enfriar y calentar , enindustria y hogares . El agua es un excelente solvente para una amplia variedad de sustancias tanto minerales como orgánicas; como tal, se utiliza ampliamente en procesos industriales y en la cocción y el lavado . El agua, el hielo y la nieve también son fundamentales para muchos deportes y otras formas de entretenimiento , como la natación , la navegación de recreo , las carreras de botes , el surf , la pesca deportiva , el buceo , el patinaje sobre hielo y el esquí .

Etimología

La palabra agua proviene del inglés antiguo wæter , del proto-germánico * watar (fuente también del antiguo watar sajón , del viejo frisón wetir , agua holandesa , del antiguo alto alemán wazzar , del alemán Wasser , vatn , gótico 𐍅𐌰𐍄𐍉 ( wato ), de Proto-Indo -Europeo * wod-o , forma sufijada de la raíz * wed- ("agua"; "húmedo"). [7] También cognado , a través de la raíz indoeuropea, con el griego ύδωρ ( ýdor ), el ruso вода́ ( vodá ), el irlandés uisce y el albanés ujë .

Historia

Propiedades fisicas y quimicas

Agua ( H
2
O
) es un compuesto inorgánico polar que a temperatura ambiente es unlíquido insípido e inodoro , casi incoloro con un toque de azul . Este calcogenuro de hidrógeno más simplees, con mucho, el compuesto químico más estudiado y se describe como el "disolvente universal" por su capacidad para disolver muchas sustancias. [8] [9] Esto le permite ser el " solvente de la vida": [10] de hecho, el agua tal como se encuentra en la naturaleza casi siempre incluye varias sustancias disueltas, y se requieren pasos especiales para obtener agua químicamente pura.. El agua es la única sustancia común que existe como sólido , líquido y gas en condiciones terrestres normales. [11]

Estados

Los tres estados comunes de la materia

Junto con el oxidano , el agua es uno de los dos nombres oficiales del compuesto químico H
2
O
; [12] también es la fase líquida de H
2
O
. [13] Los otros dos estados comunes de la materia del agua son la fase sólida , hielo , y la fase gaseosa, vapor de agua o vapor . La adición o eliminación de calor puede provocar transiciones de fase : congelación (agua a hielo), fusión (hielo a agua), vaporización (agua a vapor), condensación (vapor a agua), sublimación (hielo a vapor) y deposición (vapor a hielo). [14]

Densidad

El agua se diferencia de la mayoría de los líquidos en que se vuelve menos densa a medida que se congela. [16] En 1 atm de presión, alcanza su densidad máxima de 1.000 kg / m 3 (62,43 lb / pie cúbico) a 3,98 ° C (39,16 ° F). [17] La densidad del hielo es de 917 kg / m 3 (57,25 lb / pies cúbicos), una expansión del 9%. [18] [19] Esta expansión puede ejercer una enorme presión, reventando tuberías y agrietando rocas (ver Meteorización por escarcha ). [20]

En un lago u océano, el agua a 4 ° C (39,2 ° F) se hunde hasta el fondo y se forma hielo en la superficie, flotando sobre el agua líquida. Este hielo aísla el agua debajo, evitando que se congele. Sin esta protección, la mayoría de los organismos acuáticos perecerían durante el invierno. [21]

Transiciones de fase

A una presión de una atmósfera (atm), el hielo se derrite o el agua se congela a 0 ° C (32 ° F) y el agua hierve o el vapor se condensa a 100 ° C (212 ° F). Sin embargo, incluso por debajo del punto de ebullición, el agua puede convertirse en vapor en su superficie por evaporación (la vaporización en todo el líquido se conoce como ebullición ). La sublimación y la deposición también ocurren en superficies. [14] Por ejemplo, la escarcha se deposita sobre superficies frías mientras que los copos de nieve se forman por deposición sobre una partícula de aerosol o un núcleo de hielo. [22] En el proceso de liofilización , un alimento se congela y luego se almacena a baja presión para que el hielo en su superficie se sublime. [23]

Los puntos de fusión y ebullición dependen de la presión. Una buena aproximación de la tasa de cambio de la temperatura de fusión con la presión viene dada por la relación de Clausius-Clapeyron :

donde y son los volúmenes molares de las fases líquida y sólida, y es el calor latente molar de fusión. En la mayoría de las sustancias, el volumen aumenta cuando se produce la fusión, por lo que la temperatura de fusión aumenta con la presión. Sin embargo, debido a que el hielo es menos denso que el agua, la temperatura de fusión disminuye. [15] En los glaciares, el derretimiento por presión puede ocurrir bajo volúmenes de hielo suficientemente gruesos, lo que resulta en lagos subglaciares . [24] [25]

La relación de Clausius-Clapeyron también se aplica al punto de ebullición, pero con la transición líquido / gas la fase de vapor tiene una densidad mucho menor que la fase líquida, por lo que el punto de ebullición aumenta con la presión. [26] El agua puede permanecer en estado líquido a altas temperaturas en las profundidades del océano o bajo tierra. Por ejemplo, las temperaturas superan los 205 ° C (401 ° F) en Old Faithful , un géiser del Parque Nacional Yellowstone . [27] En los respiraderos hidrotermales , la temperatura puede exceder los 400 ° C (752 ° F). [28]

A nivel del mar , el punto de ebullición del agua es de 100 ° C (212 ° F). A medida que la presión atmosférica disminuye con la altitud, el punto de ebullición disminuye en 1 ° C cada 274 metros. La cocción a gran altura lleva más tiempo que la cocción al nivel del mar. Por ejemplo, a 1524 metros (5000 pies), el tiempo de cocción debe aumentarse en una cuarta parte para lograr el resultado deseado. [29] (A la inversa, se puede usar una olla a presión para disminuir los tiempos de cocción aumentando la temperatura de ebullición. [30] ) En el vacío, el agua hervirá a temperatura ambiente. [31]

Puntos triples y críticos

Diagrama de fases del agua (simplificado)

En un diagrama de fase de presión / temperatura (ver figura), hay curvas que separan el sólido del vapor, el vapor del líquido y el líquido del sólido. Estos se encuentran en un solo punto llamado punto triple , donde las tres fases pueden coexistir. El punto triple está a una temperatura de 273,16 K (0,01 ° C) y una presión de 611,657 pascales (0,00604 atm); [32] es la presión más baja a la que puede existir agua líquida. Hasta 2019 , el punto triple se utilizó para definir la escala de temperatura Kelvin. [33] [34]

La curva de la fase agua / vapor termina en 647.096 K (373.946 ° C; 705.103 ° F) y 22.064 megapascales (3200.1 psi; 217.75 atm). [35] Esto se conoce como el punto crítico . A temperaturas y presiones más altas, las fases líquida y de vapor forman una fase continua llamada fluido supercrítico . Puede comprimirse o expandirse gradualmente entre densidades gaseosas y líquidas, sus propiedades (que son bastante diferentes de las del agua ambiental) son sensibles a la densidad. Por ejemplo, para presiones y temperaturas adecuadas, puede mezclarse libremente con compuestos apolares , incluidos la mayoría de los compuestos orgánicos . Esto lo hace útil en una variedad de aplicaciones, incluidas las de alta temperatura.electroquímica y como disolvente o catalizador ecológicamente benigno en reacciones químicas que involucran compuestos orgánicos. En el manto de la Tierra, actúa como solvente durante la formación, disolución y deposición de minerales. [36] [37]

Fases de hielo y agua

La forma normal de hielo en la superficie de la Tierra es Ice Ih , una fase que forma cristales con simetría hexagonal . Otro con simetría cristalina cúbica , Ice Ic , puede ocurrir en la atmósfera superior. [38] A medida que aumenta la presión, el hielo forma otras estructuras cristalinas . A partir de 2019, se han confirmado experimentalmente 17 y se predicen teóricamente varios más. [39] Cuando se intercala entre capas de grafeno , el hielo forma una red cuadrada. [40]

Los detalles de la naturaleza química del agua líquida no se comprenden bien; algunas teorías sugieren que su comportamiento inusual se debe a la existencia de 2 estados líquidos. [17] [41] [42] [43]

Sabor y olor

El agua pura generalmente se describe como insípida e inodoro, aunque los humanos tienen sensores específicos que pueden sentir la presencia de agua en la boca, [44] y se sabe que las ranas pueden olerla. [45] Sin embargo, el agua de fuentes ordinarias (incluida el agua mineral embotellada) generalmente tiene muchas sustancias disueltas, que pueden darle diferentes sabores y olores. Los seres humanos y otros animales han desarrollado sentidos que les permiten evaluar la potabilidad del agua evitando el agua que es demasiado salada o pútrida . [46]

Color y apariencia

El agua pura es visiblemente azul debido a la absorción de luz en la región aprox. 600 nm - 800 nm. [47] El color se puede observar fácilmente en un vaso de agua del grifo colocado sobre un fondo blanco puro, a la luz del día. Las principales bandas de absorción responsables del color son armónicos de la O-H estiramiento vibraciones . La intensidad aparente del color aumenta con la profundidad de la columna de agua, siguiendo la ley de Beer . Esto también se aplica, por ejemplo, a una piscina cuando la fuente de luz es la luz solar reflejada por las baldosas blancas de la piscina.

En la naturaleza, el color también puede modificarse de azul a verde debido a la presencia de sólidos en suspensión o algas.

En la industria, la espectroscopia de infrarrojo cercano se usa con soluciones acuosas ya que la mayor intensidad de los matices más bajos del agua significa que se pueden emplear cubetas de vidrio con una longitud de trayectoria corta. Para observar el espectro de absorción de estiramiento fundamental del agua o de una solución acuosa en la región alrededor de 3500 cm -1 (2,85 µm) [48], se necesita una longitud de trayectoria de aproximadamente 25 µm. Además, la cubeta debe ser transparente alrededor de 3500 cm −1 e insoluble en agua; El fluoruro de calcio es un material de uso común para las ventanas de las cubetas con soluciones acuosas.

Las vibraciones fundamentales activas de Raman se pueden observar, por ejemplo, con una celda de muestra de 1 cm.

Las plantas acuáticas , las algas y otros organismos fotosintéticos pueden vivir en el agua hasta cientos de metros de profundidad, porque la luz del sol puede llegar hasta ellos. Prácticamente ninguna luz solar llega a las partes de los océanos por debajo de los 1000 metros (3300 pies) de profundidad.

El índice de refracción del agua líquida (1.333 a 20 ° C (68 ° F)) es mucho más alto que el del aire (1.0), similar al de los alcanos y el etanol , pero más bajo que el del glicerol (1.473), el benceno (1.501 ), disulfuro de carbono (1.627) y tipos comunes de vidrio (1.4 a 1.6). El índice de refracción del hielo (1,31) es más bajo que el del agua líquida.

Molécula polar

Estructura tetraédrica del agua

En una molécula de agua, los átomos de hidrógeno forman un ángulo de 104,5 ° con el átomo de oxígeno. Los átomos de hidrógeno están cerca de las dos esquinas de un tetraedro centrado en el oxígeno. En las otras dos esquinas hay pares solitarios de electrones de valencia que no participan en el enlace. En un tetraedro perfecto, los átomos formarían un ángulo de 109,5 °, pero la repulsión entre los pares solitarios es mayor que la repulsión entre los átomos de hidrógeno. [49] [50] La longitud del enlace O – H es de aproximadamente 0.096 nm. [51]

Otras sustancias tienen una estructura molecular tetraédrica, por ejemplo, el metano ( CH
4
) y sulfuro de hidrógeno ( H
2
S
). Sin embargo, el oxígeno es más electronegativo (se aferra a sus electrones con más fuerza) que la mayoría de los otros elementos, por lo que el átomo de oxígeno retiene una carga negativa mientras que los átomos de hidrógeno tienen una carga positiva. Junto con la estructura doblada, esto le da a la molécula un momento dipolar eléctrico y se clasifica como una molécula polar . [52]

El agua es un buen solvente polar , que disuelve muchas sales y moléculas orgánicas hidrófilas como azúcares y alcoholes simples como el etanol . El agua también disuelve muchos gases, como el oxígeno y el dióxido de carbono , este último dando la efervescencia de las bebidas carbonatadas , los vinos espumosos y las cervezas. Además, muchas sustancias de los organismos vivos, como proteínas , ADN y polisacáridos , se disuelven en agua. Las interacciones entre el agua y las subunidades de estas biomacromoléculas dan forma al plegamiento de proteínas , emparejamiento de bases de ADN, y otros fenómenos cruciales para la vida ( efecto hidrofóbico ).

Muchas sustancias orgánicas (como grasas, aceites y alcanos ) son hidrófobas , es decir, insolubles en agua. Muchas sustancias inorgánicas también son insolubles, incluida la mayoría de los óxidos , sulfuros y silicatos metálicos .

Enlaces de hidrógeno

Modelo de enlaces de hidrógeno (1) entre moléculas de agua

Debido a su polaridad, una molécula de agua en estado líquido o sólido puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno con moléculas vecinas. Los enlaces de hidrógeno son aproximadamente diez veces más fuertes que la fuerza de Van der Waals que atrae moléculas entre sí en la mayoría de los líquidos. Esta es la razón por la que los puntos de fusión y ebullición del agua son mucho más altos que los de otros compuestos análogos como el sulfuro de hidrógeno. También explican su capacidad calorífica específica excepcionalmente alta (alrededor de 4,2 J / g / K), calor de fusión (alrededor de 333 J / g), calor de vaporización ( 2257 J / g ) y conductividad térmica.(entre 0,561 y 0,679 W / m / K). Estas propiedades hacen que el agua sea más eficaz para moderar el clima de la Tierra , al almacenar calor y transportarlo entre los océanos y la atmósfera. Los enlaces de hidrógeno del agua son de alrededor de 23 kJ / mol (en comparación con un enlace OH covalente a 492 kJ / mol). De esto, se estima que el 90% es atribuible a la electrostática, mientras que el 10% restante es parcialmente covalente. [53]

Estos enlaces son la causa de la alta tensión superficial del agua [54] y las fuerzas capilares. La acción capilar se refiere a la tendencia del agua a subir por un tubo estrecho contra la fuerza de la gravedad . Todas las plantas vasculares , como los árboles, confían en esta propiedad . [55]

Autoionización

El agua es una solución débil de hidróxido de hidronio; hay un equilibrio de 2H
2
O
H
3
O+
+ OH-
, en combinación con la solvatación de los iones hidronio resultantes .

Conductividad eléctrica y electrólisis.

El agua pura tiene una conductividad eléctrica baja , que aumenta con la disolución de una pequeña cantidad de material iónico como la sal común .

El agua líquida se puede dividir en los elementos hidrógeno y oxígeno al pasar una corriente eléctrica a través de ella, un proceso llamado electrólisis . La descomposición requiere más entrada de energía que el calor liberado por el proceso inverso (285,8 kJ / mol o 15,9 MJ / kg). [56]

Propiedades mecánicas

Se puede suponer que el agua líquida es incompresible para la mayoría de los propósitos: su compresibilidad varía de 4.4 a 5.1 × 10 −10  Pa −1 en condiciones normales. [57] Incluso en océanos a 4 km de profundidad, donde la presión es de 400 atm, el agua sólo sufre una disminución de volumen del 1,8%. [58]

La viscosidad de agua es de aproximadamente 10 -3 Pa · s o 0,01 poises a 20 ° C (68 ° F), y la velocidad del sonido en las gamas de agua líquida entre 1.400 y 1.540 metros por segundo (4.600 y 5.100 pies / s) dependiendo en temperatura. El sonido viaja largas distancias en el agua con poca atenuación, especialmente a bajas frecuencias (aproximadamente 0,03 dB / km para 1 k Hz ), una propiedad que los cetáceos y los seres humanos aprovechan para la comunicación y la detección del entorno ( sonar ). [59]

Reactividad

Los elementos metálicos que son más electropositivos que el hidrógeno, particularmente los metales alcalinos y los metales alcalinotérreos como el litio , sodio , calcio , potasio y cesio, desplazan el hidrógeno del agua, formando hidróxidos y liberando hidrógeno. A altas temperaturas, el carbono reacciona con el vapor para formar monóxido de carbono e hidrógeno.

En la tierra

La hidrología es el estudio del movimiento, distribución y calidad del agua en toda la Tierra. El estudio de la distribución del agua es la hidrografía . El estudio de la distribución y movimiento de las aguas subterráneas es la hidrogeología , de los glaciares es la glaciología , de las aguas continentales es la limnología y la distribución de los océanos es la oceanografía . Los procesos ecológicos con hidrología están en el foco de la ecohidrología .

La masa colectiva de agua que se encuentra sobre, debajo y sobre la superficie de un planeta se llama hidrosfera . El volumen de agua aproximado de la Tierra (el suministro total de agua del mundo) es 1.386 × 10 9 kilómetros cúbicos (3.33 × 10 8 millas cúbicas). [4]

El agua líquida se encuentra en cuerpos de agua , como un océano, mar, lago, río, arroyo, canal , estanque o charco . La mayor parte del agua de la Tierra es agua de mar . El agua también está presente en la atmósfera en estado sólido, líquido y vapor. También existe como agua subterránea en acuíferos .

El agua es importante en muchos procesos geológicos. El agua subterránea está presente en la mayoría de las rocas y la presión de esta agua subterránea afecta los patrones de fallas . El agua en el manto es responsable del deshielo que produce volcanes en las zonas de subducción . En la superficie de la Tierra, el agua es importante en los procesos de meteorización tanto químicos como físicos . El agua y, en menor medida, pero aún significativa, el hielo, también son responsables de una gran cantidad de transporte de sedimentos que se produce en la superficie de la tierra. La deposición de sedimento transportado forma muchos tipos de rocas sedimentarias , que componen elregistro geológico de la historia de la Tierra .

El ciclo del agua

El ciclo del agua

El ciclo del agua (conocido científicamente como ciclo hidrológico) se refiere al intercambio continuo de agua dentro de la hidrosfera , entre la atmósfera , el agua del suelo , el agua superficial , el agua subterránea y las plantas.

El agua se mueve perpetuamente a través de cada una de estas regiones en el ciclo del agua que consta de los siguientes procesos de transferencia:

  • la evaporación de los océanos y otros cuerpos de agua al aire y la transpiración de las plantas terrestres y los animales al aire.
  • precipitación , del vapor de agua que se condensa en el aire y cae a la tierra o al océano.
  • la escorrentía de la tierra generalmente llega al mar.

La mayoría de los vapores de agua que se encuentran principalmente en el océano regresan a él, pero los vientos transportan vapor de agua sobre la tierra al mismo ritmo que la escorrentía hacia el mar, alrededor de 47  Tt por año, mientras que la evaporación y la transpiración que ocurren en las masas terrestres también contribuyen con otras 72 Tt por año. La precipitación, a una tasa de 119 Tt por año sobre la tierra, tiene varias formas: más comúnmente lluvia, nieve y granizo , con alguna contribución de la niebla y el rocío . [60] El rocío son pequeñas gotas de agua que se condensan cuando una alta densidad de vapor de agua se encuentra con una superficie fría. El rocío generalmente se forma por la mañana cuando la temperatura es la más baja, justo antes del amanecer y cuando la temperatura de la superficie terrestre comienza a aumentar. [61]El agua condensada en el aire también puede refractar la luz solar para producir arco iris .

La escorrentía de agua a menudo se acumula sobre las cuencas hidrográficas que desembocan en los ríos. Un modelo matemático utilizado para simular el flujo de un río o arroyo y calcular los parámetros de calidad del agua es un modelo de transporte hidrológico . Parte del agua se desvía al riego para la agricultura. Los ríos y los mares ofrecen oportunidades para los viajes y el comercio. A través de la erosión , la escorrentía da forma al medio ambiente creando valles y deltas fluviales.que proporcionan suelos ricos y nivelados para el establecimiento de núcleos de población. Una inundación ocurre cuando un área de tierra, generalmente baja, está cubierta de agua, lo que ocurre cuando un río se desborda o se produce una marejada ciclónica. Por otro lado, la sequía es un período prolongado de meses o años en el que una región nota una deficiencia en su suministro de agua. Esto ocurre cuando una región recibe precipitaciones consistentemente por debajo del promedio, ya sea debido a su topografía o debido a su ubicación en términos de latitud .

Almacenamiento de agua dulce

El agua se presenta tanto en "existencias" como en "corrientes". El agua se puede almacenar en forma de lagos, vapor de agua, agua subterránea o "acuíferos" y hielo y nieve. Del volumen total de agua dulce mundial, se estima que el 69 por ciento se almacena en los glaciares y la capa de nieve permanente; El 30 por ciento está en aguas subterráneas; y el 1 por ciento restante en lagos, ríos, atmósfera y biota. [62]El tiempo que el agua permanece almacenada es muy variable: algunos acuíferos consisten en agua almacenada durante miles de años, pero los volúmenes de los lagos pueden fluctuar según la estación, disminuyendo durante los períodos secos y aumentando durante los húmedos. Una fracción sustancial del suministro de agua para algunas regiones consiste en agua extraída del agua almacenada en existencias, y cuando las extracciones superan la recarga, las existencias disminuyen. Según algunas estimaciones, hasta el 30 por ciento del agua total utilizada para el riego proviene de extracciones insostenibles de agua subterránea, lo que provoca el agotamiento de las aguas subterráneas. [63]

Agua de mar y mareas

El agua de mar contiene aproximadamente un 3,5% de cloruro de sodio en promedio, más cantidades más pequeñas de otras sustancias. Las propiedades físicas del agua de mar difieren del agua dulce en algunos aspectos importantes. Se congela a una temperatura más baja (aproximadamente -1,9 ° C (28,6 ° F)) y su densidad aumenta con la disminución de la temperatura hasta el punto de congelación, en lugar de alcanzar la densidad máxima a una temperatura por encima del punto de congelación. La salinidad del agua en los mares principales varía de aproximadamente el 0,7% en el Mar Báltico al 4,0% en el Mar Rojo . (El Mar Muerto , conocido por sus niveles de salinidad ultraaltos de entre el 30 y el 40%, es en realidad un lago salado ).

Las mareas son la subida y bajada cíclica del nivel del mar local causada por las fuerzas de marea de la Luna y el Sol que actúan sobre los océanos. Las mareas provocan cambios en la profundidad de los cuerpos de agua marinos y estuarinos y producen corrientes oscilantes conocidas como corrientes de marea. La marea cambiante producida en una ubicación determinada es el resultado de las posiciones cambiantes de la Luna y el Sol en relación con la Tierra, junto con los efectos de la rotación de la Tierra y la batimetría local . La franja de costa que se sumerge durante la marea alta y se expone durante la marea baja, la zona intermareal , es un producto ecológico importante de las mareas oceánicas.

Efectos en la vida

Descripción general de la fotosíntesis (verde) y la respiración (rojo)

Desde un punto de vista biológico , el agua tiene muchas propiedades distintas que son críticas para la proliferación de la vida. Lleva a cabo esta función al permitir que los compuestos orgánicos reaccionen de manera que finalmente permitan la replicación . Todas las formas de vida conocidas dependen del agua. El agua es vital como disolvente en el que se disuelven muchos de los solutos del cuerpo y como parte esencial de muchos procesos metabólicos dentro del cuerpo. El metabolismo es la suma total del anabolismo y el catabolismo.. En el anabolismo, el agua se elimina de las moléculas (a través de la energía que requiere reacciones químicas enzimáticas) para hacer crecer moléculas más grandes (por ejemplo, almidones, triglicéridos y proteínas para el almacenamiento de combustibles e información). En el catabolismo, el agua se usa para romper enlaces con el fin de generar moléculas más pequeñas (por ejemplo, glucosa, ácidos grasos y aminoácidos que se utilizarán como combustibles para uso energético u otros fines). Sin agua, estos procesos metabólicos particulares no podrían existir.

El agua es fundamental para la fotosíntesis y la respiración. Las células fotosintéticas utilizan la energía del sol para separar el hidrógeno del agua del oxígeno. [64] El hidrógeno se combina con CO 2 (absorbido del aire o del agua) para formar glucosa y liberar oxígeno. [ cita requerida ] Todas las células vivas utilizan dichos combustibles y oxidan el hidrógeno y el carbono para capturar la energía del sol y reformar el agua y el CO 2 en el proceso (respiración celular).

El agua también es fundamental para la neutralidad ácido-base y la función enzimática. Un ácido, un donante de iones de hidrógeno (H + , es decir, un protón), puede ser neutralizado por una base, un aceptor de protones como un ión hidróxido (OH - ) para formar agua. El agua se considera neutra, con un pH (el logaritmo negativo de la concentración de iones de hidrógeno) de 7. Los ácidos tienen valores de pH inferiores a 7, mientras que las bases tienen valores superiores a 7.

Formas de vida acuática

Las aguas superficiales de la Tierra están llenas de vida. Las primeras formas de vida aparecieron en el agua; casi todos los peces viven exclusivamente en el agua y hay muchos tipos de mamíferos marinos, como delfines y ballenas. Algunos tipos de animales, como los anfibios , pasan parte de su vida en el agua y parte en la tierra. Plantas como las algas y las algas crecen en el agua y son la base de algunos ecosistemas submarinos. El plancton es generalmente la base de la cadena alimentaria oceánica .

Los vertebrados acuáticos deben obtener oxígeno para sobrevivir, y lo hacen de diversas formas. Los peces tienen branquias en lugar de pulmones , aunque algunas especies de peces, como el pez pulmonado , tienen ambas. Los mamíferos marinos , como delfines, ballenas, nutrias y focas, necesitan salir a la superficie periódicamente para respirar aire. Algunos anfibios pueden absorber oxígeno a través de su piel. Los invertebrados exhiben una amplia gama de modificaciones para sobrevivir en aguas poco oxigenadas, incluidos tubos de respiración (ver sifones de insectos y moluscos ) y branquias ( Carcinus). Sin embargo, como la vida de los invertebrados evolucionó en un hábitat acuático, la mayoría tiene poca o ninguna especialización para la respiración en el agua.

Efectos sobre la civilización humana

Fuente de agua

Históricamente, la civilización ha florecido alrededor de los ríos y las principales vías fluviales; Mesopotamia , la llamada cuna de la civilización, estaba situada entre los principales ríos Tigris y Éufrates ; la antigua sociedad de los egipcios dependía enteramente del Nilo . La civilización temprana del valle del Indo (c. 3300 a. C. a 1300 a. C.) se desarrolló a lo largo del río Indo y los afluentes que fluían desde el Himalaya . Roma también fue fundada a orillas del río Tíber italiano . Grandes metrópolis como Rotterdam , Londres , Montreal, París , la ciudad de Nueva York , Buenos Aires , Shanghai , Tokio , Chicago y Hong Kong deben su éxito en parte a su fácil acceso a través del agua y la consiguiente expansión del comercio. Las islas con puertos de agua potable, como Singapur , han florecido por la misma razón. En lugares como el norte de África y el Medio Oriente, donde el agua es más escasa, el acceso al agua potable fue y es un factor importante en el desarrollo humano.

Salud y contaminación

Un programa de ciencias ambientales: un estudiante de la Universidad Estatal de Iowa toma muestras de agua

El agua apta para el consumo humano se denomina agua potable o agua potable. El agua que no es potable puede volverse potable mediante filtración o destilación , o mediante una variedad de otros métodos . Más de 660 millones de personas no tienen acceso a agua potable. [65] [66]

El agua que no es apta para beber, pero que no es dañina para los humanos cuando se usa para nadar o bañarse, recibe varios nombres distintos al agua potable o potable, y a veces se le llama agua segura o "segura para bañarse". El cloro es un irritante de la piel y las membranas mucosas que se usa para hacer que el agua sea segura para bañarse o beber. Su uso es altamente técnico y generalmente es monitoreado por regulaciones gubernamentales (típicamente 1 parte por millón (ppm) para el agua potable y 1-2 ppm de cloro que aún no ha reaccionado con impurezas para el agua de baño). El agua para bañarse puede mantenerse en condiciones microbiológicas satisfactorias utilizando desinfectantes químicos como cloro u ozono o mediante el uso de luz ultravioleta .

En los EE. UU., Las formas no potables de aguas residuales generadas por humanos pueden denominarse aguas grises , que se pueden tratar y, por lo tanto, pueden volver a ser potables fácilmente, y aguas negras , que generalmente contienen aguas residuales y otras formas de desechos que requieren un tratamiento adicional. para ser reutilizable. Las aguas grises componen del 50 al 80% de las aguas residuales residenciales generadas por el equipo de saneamiento de un hogar ( fregaderos , duchas y escurrimientos de la cocina, pero no inodoros, que generan aguas negras). Estos términos pueden tener diferentes significados en otros países y culturas.

El agua dulce es un recurso renovable, recirculado por el ciclo hidrológico natural , pero las presiones sobre el acceso a él resultan de la distribución naturalmente desigual en el espacio y el tiempo, las crecientes demandas económicas de la agricultura y la industria y el aumento de la población. Actualmente, casi mil millones de personas en todo el mundo carecen de acceso a agua potable y asequible. En 2000, las Naciones Unidas establecieron los Objetivos de Desarrollo del Milenio para el agua para reducir a la mitad para 2015 la proporción de personas en todo el mundo sin acceso a agua potable y saneamiento . El progreso hacia ese objetivo fue desigual, y en 2015 la ONU se comprometió con los Objetivos de Desarrollo Sostenible.de lograr el acceso universal a agua potable y saneamiento asequibles para 2030. La mala calidad del agua y el saneamiento deficiente son mortales; unos cinco millones de muertes al año son causadas por enfermedades relacionadas con el agua. La Organización Mundial de la Salud estima que el agua potable podría prevenir 1,4 millones de muertes infantiles por diarrea cada año. [67]

En el mundo en desarrollo, el 90% de todas las aguas residuales aún no se tratan en los ríos y arroyos locales. [68] Unos 50 países, con aproximadamente un tercio de la población mundial, también sufren de estrés hídrico medio o alto y 17 de ellos extraen más agua anualmente de la que se recarga a través de sus ciclos naturales del agua. [69] La cepa no solo afecta a los cuerpos de agua dulce superficiales como ríos y lagos, sino que también degrada los recursos de agua subterránea.

Usos humanos

Extracciones totales de agua para fines agrícolas, industriales y municipales per cápita, medidas en metros cúbicos (m³) por año en 2010 [70]

Agricultura

El uso humano más importante del agua es para la agricultura, incluida la agricultura de regadío, que representa entre el 80 y el 90 por ciento del consumo humano total de agua. [71] En los Estados Unidos, el 42% del agua dulce extraída para uso es para riego, pero la gran mayoría del agua "consumida" (usada y no devuelta al medio ambiente) se destina a la agricultura. [72]

El acceso al agua dulce a menudo se da por sentado, especialmente en los países desarrollados que han construido sistemas de agua sofisticados para recolectar, purificar y distribuir agua y eliminar las aguas residuales. Pero las crecientes presiones económicas, demográficas y climáticas están aumentando la preocupación por los problemas del agua, lo que lleva a una mayor competencia por los recursos hídricos fijos, dando lugar al concepto de pico de agua . [73] A medida que las poblaciones y las economías continúan creciendo, el consumo de carne sedienta de agua se expande y surgen nuevas demandas de biocombustibles o nuevas industrias que consumen mucha agua, es probable que surjan nuevos desafíos relacionados con el agua. [74]

En 2007, el Instituto Internacional de Gestión del Agua en Sri Lanka realizó una evaluación de la gestión del agua en la agricultura para ver si el mundo tenía suficiente agua para proporcionar alimentos a su creciente población. [75] Evaluó la disponibilidad actual de agua para la agricultura a escala mundial y trazó un mapa de los lugares que padecían escasez de agua. Encontró que una quinta parte de la población mundial, más de 1200 millones, vive en áreas de escasez física de agua , donde no hay suficiente agua para satisfacer todas las demandas. 1.600 millones de personas más viven en zonas que experimentan escasez económica de agua., donde la falta de inversión en agua o la insuficiente capacidad humana imposibilitan a las autoridades satisfacer la demanda de agua. El informe encontró que sería posible producir los alimentos necesarios en el futuro, pero que la continuación de la producción de alimentos y las tendencias ambientales actuales conducirían a crisis en muchas partes del mundo. Para evitar una crisis mundial del agua, los agricultores tendrán que esforzarse por aumentar la productividad para satisfacer la creciente demanda de alimentos, mientras que las industrias y las ciudades encuentran formas de utilizar el agua de manera más eficiente. [76]

La escasez de agua también se debe a la producción de productos que consumen mucha agua. Por ejemplo, algodón : 1 kg de algodón, equivalente a un par de jeans, requiere 10,9 metros cúbicos (380 pies cúbicos) de agua para producir. Si bien el algodón representa el 2,4% del uso mundial de agua, el agua se consume en regiones que ya corren el riesgo de sufrir escasez de agua. Se ha causado un daño ambiental significativo: por ejemplo, el desvío de agua de la ex Unión Soviética de los ríos Amu Darya y Syr Darya para producir algodón fue en gran parte responsable de la desaparición del Mar de Aral . [77]

Como estándar científico

El 7 de abril de 1795, el gramo se definió en Francia como "el peso absoluto de un volumen de agua pura igual a un cubo de una centésima parte de un metro, ya la temperatura del hielo derretido". [78] Sin embargo, para fines prácticos, se requería un patrón de referencia metálico, mil veces más masivo, el kilogramo. Por tanto, se encargaron los trabajos para determinar con precisión la masa de un litro de agua. A pesar del hecho de que la definición decretada del gramo especificaba agua a 0 ° C (32 ° F), una temperatura altamente reproducible , los científicos optaron por redefinir el estándar y realizar sus mediciones a la temperatura de mayor densidad de agua , que se midió en ese momento como 4 ° C (39 ° F). [79]

La escala de temperatura Kelvin del sistema SI se basó en el punto triple del agua, definido exactamente como 273,16 K (0,01 ° C; 32,02 ° F), pero a partir de mayo de 2019 se basa en la constante de Boltzmann . La escala es una escala de temperatura absoluta con el mismo incremento que la escala de temperatura Celsius, que se definió originalmente de acuerdo con el punto de ebullición (establecido en 100 ° C (212 ° F)) y el punto de fusión (establecido en 0 ° C (32 ° F) F)) de agua.

El agua natural se compone principalmente de los isótopos hidrógeno-1 y oxígeno-16, pero también hay una pequeña cantidad de isótopos más pesados ​​oxígeno-18, oxígeno-17 e hidrógeno-2 ( deuterio ). El porcentaje de isótopos más pesados ​​es muy pequeño, pero aún afecta las propiedades del agua. El agua de ríos y lagos tiende a contener isótopos menos pesados ​​que el agua de mar. Por lo tanto, el agua estándar se define en la especificación de agua oceánica media estándar de Viena .

Para beber

Una niña bebiendo agua embotellada.
Disponibilidad de agua: la fracción de la población que utiliza fuentes de agua mejoradas por país
Salida de agua dulce en la carretera del glaciar, Nubra

El cuerpo humano contiene de 55% a 78% de agua, dependiendo del tamaño corporal. [80] Para funcionar correctamente, el cuerpo requiere entre uno y siete litros (0,22 y 1,54 gal imp; 0,26 y 1,85 gal EE.UU.) [ cita requerida ] de agua por día para evitar la deshidratación ; la cantidad precisa depende del nivel de actividad, temperatura, humedad y otros factores. La mayor parte de esto se ingiere a través de alimentos o bebidas que no sean agua pura. No está claro cuánta ingesta de agua necesitan las personas sanas, aunque la Asociación Dietética Británica advierte que 2,5 litros de agua total al día es el mínimo para mantener una hidratación adecuada, incluidos 1,8 litros (6 a 7 vasos) obtenidos directamente de las bebidas. [81]La literatura médica favorece un menor consumo, típicamente 1 litro de agua para un hombre promedio, excluyendo los requerimientos adicionales debido a la pérdida de líquidos por ejercicio o clima cálido. [82]

Los riñones sanos pueden excretar de 0,8 a 1 litro de agua por hora, pero el estrés, como el ejercicio, puede reducir esta cantidad. Las personas pueden beber mucha más agua de la necesaria mientras hacen ejercicio, lo que los pone en riesgo de intoxicación por agua (hiperhidratación), que puede ser fatal. [83] [84] La afirmación popular de que "una persona debe consumir ocho vasos de agua al día" parece no tener una base científica real. [85] Los estudios han demostrado que la ingesta adicional de agua, especialmente hasta 500 mililitros (18 onzas líquidas imp; 17 onzas líquidas estadounidenses) a la hora de las comidas se asoció con la pérdida de peso. [86] [87] [88] [89] [90] [91] La ingesta adecuada de líquidos es útil para prevenir el estreñimiento. [92]

Símbolo de peligro para agua no potable

Una recomendación original para la ingesta de agua en 1945 por la Junta de Alimentos y Nutrición del Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos decía: "Un estándar ordinario para personas diversas es 1 mililitro por cada caloría de alimento. La mayor parte de esta cantidad está contenida en alimentos preparados". [93] El último informe de ingesta dietética de referencia del Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos en general recomendó, según la mediana de la ingesta total de agua de los datos de una encuesta de EE. UU. (Incluidas las fuentes de alimentos): 3,7 litros (0,81 imp gal; 0,98 EE. UU. Gal) para los hombres y 2,7 ​​litros (0,59 imp gal; 0,71 US gal) de agua total para las mujeres, señalando que el agua contenida en los alimentos proporcionó aproximadamente el 19% de la ingesta total de agua en la encuesta. [94]

Específicamente, las mujeres embarazadas y en período de lactancia necesitan líquidos adicionales para mantenerse hidratadas. El Instituto de Medicina (EE.UU.) recomienda que, en promedio, los hombres consuman 3 litros (0,66 gal imp; 0,79 gal EE.UU.) y las mujeres 2,2 litros (0,48 gal imp; 0,58 gal EE.UU.); las mujeres embarazadas deben aumentar la ingesta a 2,4 litros (0,53 imp gal; 0,63 US gal) y las mujeres que amamantan deben consumir 3 litros (12 tazas), ya que una gran cantidad de líquido se pierde durante la lactancia. [95] También se observa que, normalmente, alrededor del 20% de la ingesta de agua proviene de los alimentos, mientras que el resto proviene del agua potable y las bebidas ( incluidas con cafeína ). El agua se excreta del cuerpo en múltiples formas; a través de la orina y las heces, a través de la sudoración y por la exhalación de vapor de agua en la respiración. Con el esfuerzo físico y la exposición al calor, la pérdida de agua aumentará y las necesidades diarias de líquidos también pueden aumentar.

Los seres humanos necesitan agua con pocas impurezas. Las impurezas comunes incluyen sales y óxidos de metales, incluidos cobre, hierro, calcio y plomo, [96] y / o bacterias dañinas, como Vibrio . Algunos solutos son aceptables e incluso deseables para mejorar el sabor y proporcionar los electrolitos necesarios . [97]

El recurso de agua dulce más grande (por volumen) apto para beber es el lago Baikal en Siberia. [98]

Lavado

La propensión del agua a formar soluciones y emulsiones es útil en varios procesos de lavado . El lavado también es un componente importante de varios aspectos de la higiene corporal personal . La mayor parte del consumo personal de agua se debe a la ducha , el lavado de ropa y el lavado de platos , alcanzando cientos de litros por día por persona en los países desarrollados.

Transporte

El uso de agua para el transporte de materiales a través de ríos y canales, así como las rutas marítimas internacionales, es una parte importante de la economía mundial.

Usos químicos

El agua se usa ampliamente en reacciones químicas como solvente o reactivo y menos comúnmente como soluto o catalizador . En las reacciones inorgánicas, el agua es un solvente común que disuelve muchos compuestos iónicos, así como otros compuestos polares como el amoníaco y compuestos estrechamente relacionados con el agua . En reacciones orgánicas, no se suele utilizar como disolvente de reacción, porque no disuelve bien los reactivos y es anfótero (ácido y básico) y nucleofílico . Sin embargo, estas propiedades a veces son deseables. Además, se ha observado una aceleración de las reacciones de Diels-Alder por el agua.El agua supercrítica ha sido recientemente un tema de investigación. El agua supercrítica saturada de oxígeno quema los contaminantes orgánicos de manera eficiente. El vapor de agua se utiliza para algunos procesos en la industria química. Un ejemplo es la producción de ácido acrílico a partir de acroleína, propileno y propano. [99] [100] [101] [102] El posible efecto del agua en estas reacciones incluye la interacción física y química del agua con el catalizador y la reacción química del agua con los intermedios de reacción.

De intercambio de calor

El agua y el vapor son fluidos habituales para el intercambio de calor , debido a su disponibilidad y alta capacidad calorífica , tanto para refrigeración como para calefacción. El agua fría puede incluso estar disponible de forma natural en un lago o en el mar. Es especialmente eficaz para transportar calor a través de la vaporización y condensación del agua debido a su gran calor latente de vaporización . Una desventaja es que los metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre se oxidan más rápido por el agua y el vapor sin tratar. En casi todas las centrales térmicas, el agua se usa como fluido de trabajo (usado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (usado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua o llevarlo por evaporación en una torre de enfriamiento ) . En los Estados Unidos, las plantas de energía de enfriamiento son el mayor uso de agua. [103]

En la industria de la energía nuclear , el agua también se puede utilizar como moderador de neutrones . En la mayoría de los reactores nucleares , el agua es tanto refrigerante como moderador. Esto proporciona una especie de medida de seguridad pasiva, ya que eliminar el agua del reactor también ralentiza la reacción nuclear . Sin embargo, se prefieren otros métodos para detener una reacción y se prefiere mantener el núcleo nuclear cubierto con agua para asegurar un enfriamiento adecuado.

Consideraciones de fuego

El agua se utiliza para combatir incendios forestales .

El agua tiene un alto calor de vaporización y es relativamente inerte, lo que la convierte en un buen fluido extintor de incendios . La evaporación del agua aleja el calor del fuego. Es peligroso usar agua en incendios que involucran aceites y solventes orgánicos porque muchos materiales orgánicos flotan en el agua y el agua tiende a esparcir el líquido ardiente.

El uso de agua en la extinción de incendios también debe tener en cuenta los peligros de una explosión de vapor , que puede ocurrir cuando se usa agua en incendios muy calientes en espacios reducidos, y de una explosión de hidrógeno, cuando sustancias que reaccionan con el agua, como ciertos metales. o carbón caliente como carbón, carbón vegetal o coque grafito, descomponen el agua, produciendo gas de agua .

El poder de tales explosiones se vio en el desastre de Chernobyl , aunque el agua involucrada no provino de la extinción de incendios en ese momento del propio sistema de enfriamiento de agua del reactor. Se produjo una explosión de vapor cuando el sobrecalentamiento extremo del núcleo hizo que el agua se convirtiera en vapor. Puede haber ocurrido una explosión de hidrógeno como resultado de una reacción entre el vapor y el circonio caliente .

Algunos óxidos metálicos, sobre todo los de metales alcalinos y metales alcalinotérreos , producen tanto calor al reaccionar con el agua que puede producirse un riesgo de incendio. La cal viva de óxido alcalinotérreo es una sustancia producida en masa que a menudo se transporta en bolsas de papel. Si se empapan, pueden encenderse ya que su contenido reacciona con el agua. [104]

Recreación

Isla San Andrés , Colombia

Los seres humanos utilizan el agua para muchos fines recreativos, así como para hacer ejercicio y para deportes. Algunos de estos incluyen natación, esquí acuático , paseos en bote , surf y buceo . Además, algunos deportes, como el hockey sobre hielo y el patinaje sobre hielo , se juegan sobre hielo. Las orillas de los lagos, las playas y los parques acuáticos son lugares populares para que la gente vaya a relajarse y disfrutar de la recreación. Muchos encuentran que el sonido y la apariencia del agua que fluye son calmantes, y las fuentes y otros elementos acuáticos son decoraciones populares. Algunos mantienen peces y otra flora y fauna dentro de acuarios o estanques para mostrar, divertirse y tener compañía. Los seres humanos también usan el agua para deportes de nieve, es decir, esquiar., trineos , motos de nieve o snowboard , que requieren que el agua esté congelada.

Industria del agua

La industria del agua proporciona servicios de agua potable y aguas residuales (incluido el tratamiento de aguas residuales ) a los hogares y la industria. Las instalaciones de suministro de agua incluyen pozos de agua , cisternas para la recolección de agua de lluvia , redes de suministro de agua e instalaciones de purificación de agua , tanques de agua , torres de agua , tuberías de agua , incluidos los antiguos acueductos . Se están desarrollando generadores de agua atmosférica .

El agua potable a menudo se recolecta en manantiales , se extrae de perforaciones artificiales (pozos) en el suelo o se bombea de lagos y ríos. La construcción de más pozos en lugares adecuados es, por tanto, una forma posible de producir más agua, suponiendo que los acuíferos puedan suministrar un caudal adecuado. Otras fuentes de agua incluyen la recolección de agua de lluvia. El agua puede requerir purificación para consumo humano. Esto puede implicar la eliminación de sustancias no disueltas, sustancias disueltas y microbios dañinos . Los métodos populares son el filtrado con arena que solo elimina el material no disuelto, mientras que la cloración y la ebullición matan a los microbios dañinos. Destilaciónhace las tres funciones. Existen técnicas más avanzadas, como la ósmosis inversa . La desalinización de abundante agua de mar es una solución más cara utilizada en climas costeros áridos .

La distribución de agua potable se realiza a través de sistemas municipales de agua , entrega en camión cisterna o como agua embotellada . Los gobiernos de muchos países tienen programas para distribuir agua a los necesitados sin cargo.

Reducir el uso mediante el uso de agua potable (potable) solo para consumo humano es otra opción. En algunas ciudades como Hong Kong, el agua de mar se utiliza ampliamente para la descarga de inodoros en toda la ciudad con el fin de conservar los recursos de agua dulce .

La contaminación del agua puede ser el mayor uso indebido del agua; en la medida en que un contaminante limita otros usos del agua, se convierte en un desperdicio del recurso, independientemente de los beneficios para quien contamina. Al igual que otros tipos de contaminación, esta no entra en la contabilidad estándar de los costos de mercado, ya que se concibe como externalidades que el mercado no puede tener en cuenta. Así, otras personas pagan el precio de la contaminación del agua, mientras que las ganancias de las empresas privadas no se redistribuyen a la población local, víctima de esta contaminación. Los productos farmacéuticos consumidos por los seres humanos a menudo terminan en las vías fluviales y pueden tener efectos perjudiciales en la vida acuática si se bioacumulan y si no son biodegradables .

Las aguas residuales municipales e industriales se tratan normalmente en plantas de tratamiento de aguas residuales . La mitigación de la escorrentía superficial contaminada se aborda a través de una variedad de técnicas de prevención y tratamiento. ( Ver Escorrentía superficial # Mitigación y tratamiento ).

Aplicaciones industriales

Muchos procesos industriales se basan en reacciones que utilizan sustancias químicas disueltas en agua, suspensión de sólidos en lechadas de agua o el uso de agua para disolver y extraer sustancias, o para lavar productos o equipos de proceso. Procesos como la minería , la fabricación de pasta química , el blanqueo de pasta , la fabricación de papel , la producción textil, el teñido, la impresión y el enfriamiento de plantas de energía utilizan grandes cantidades de agua, lo que requiere una fuente de agua dedicada y, a menudo, provocan una contaminación del agua significativa.

El agua se utiliza en la generación de energía . La hidroelectricidad es la electricidad que se obtiene de la energía hidroeléctrica . La energía hidroeléctrica proviene del agua que impulsa una turbina de agua conectada a un generador. La hidroelectricidad es una fuente de energía renovable de bajo costo, no contaminante. La energía es suministrada por el movimiento del agua. Normalmente, una presa se construye en un río, creando un lago artificial detrás de ella. El agua que sale del lago es forzada a través de turbinas que hacen girar generadores.

La presa de las Tres Gargantas es la central hidroeléctrica más grande .

El agua a presión se utiliza en chorreadoras y cortadoras de chorro de agua . Además, las pistolas de agua a alta presión se utilizan para cortes precisos. Funciona muy bien, es relativamente seguro y no es dañino para el medio ambiente. También se utiliza en la refrigeración de maquinaria para evitar el sobrecalentamiento o el sobrecalentamiento de las hojas de sierra.

El agua también se utiliza en muchos procesos y máquinas industriales, como la turbina de vapor y el intercambiador de calor , además de su uso como disolvente químico . La descarga de agua no tratada de usos industriales es contaminación . La contaminación incluye solutos descargados (contaminación química) y agua refrigerante descargada ( contaminación térmica ). La industria requiere agua pura para muchas aplicaciones y utiliza una variedad de técnicas de purificación tanto en el suministro como en la descarga de agua.

Procesamiento de alimentos

El agua se puede utilizar para cocinar alimentos como fideos.
Agua esterilizada para inyectables

Hervir , cocer al vapor y hervir a fuego lento son métodos de cocción populares que a menudo requieren sumergir los alimentos en agua o en su estado gaseoso, vapor. [105] El agua también se utiliza para lavar platos . El agua también juega muchos roles críticos dentro del campo de la ciencia de los alimentos .

Los solutos como las sales y los azúcares que se encuentran en el agua afectan las propiedades físicas del agua. Los puntos de ebullición y congelación del agua se ven afectados por los solutos, así como la presión del aire , que a su vez se ve afectada por la altitud. El agua hierve a temperaturas más bajas con la presión de aire más baja que se produce en las elevaciones más altas. Un mol de sacarosa (azúcar) por kilogramo de agua eleva el punto de ebullición del agua en 0,51 ° C (0,918 ° F) y un mol de sal por kg eleva el punto de ebullición en 1,02 ° C (1,836 ° F); de manera similar, aumentar el número de partículas disueltas reduce el punto de congelación del agua. [106]

Los solutos en el agua también afectan la actividad del agua que afecta muchas reacciones químicas y el crecimiento de microbios en los alimentos. [107] La actividad del agua se puede describir como una relación entre la presión de vapor del agua en una solución y la presión de vapor del agua pura. [106] Los solutos en el agua reducen la actividad del agua; es importante saberlo porque la mayor parte del crecimiento bacteriano cesa a niveles bajos de actividad del agua. [107] El crecimiento microbiano no solo afecta la seguridad de los alimentos, sino también la conservación y la vida útil de los alimentos.

La dureza del agua también es un factor crítico en el procesamiento de alimentos y puede modificarse o tratarse mediante el uso de un sistema de intercambio iónico químico. Puede afectar drásticamente la calidad de un producto, además de desempeñar un papel en el saneamiento. La dureza del agua se clasifica según la concentración de carbonato de calcio que contiene el agua. El agua se clasifica como blanda si contiene menos de 100 mg / l (Reino Unido) [108] o menos de 60 mg / l (EE. UU.). [109]

Según un informe publicado por la organización Water Footprint en 2010, un solo kilogramo de carne de res requiere 15 mil litros (3.3 × 10 3  imp gal; 4.0 × 10 3  US gal) de agua; sin embargo, los autores también aclaran que este es un promedio global y los factores circunstanciales determinan la cantidad de agua utilizada en la producción de carne. [110]^^

Uso medico

El agua para inyección está en la lista de medicamentos esenciales de la Organización Mundial de la Salud . [111]

Distribución en la naturaleza

En el universo

El receptor Band 5 ALMA es un instrumento diseñado específicamente para detectar agua en el universo. [112]

Gran parte del agua del universo se produce como subproducto de la formación de estrellas . La formación de estrellas va acompañada de un fuerte viento exterior de gas y polvo. Cuando esta salida de material finalmente impacta el gas circundante, las ondas de choque que se crean comprimen y calientan el gas. El agua observada se produce rápidamente en este gas denso y cálido. [113]

El 22 de julio de 2011, un informe describió el descubrimiento de una gigantesca nube de vapor de agua que contiene "140 billones de veces más agua que todos los océanos de la Tierra combinados" alrededor de un cuásar ubicado a 12 mil millones de años luz de la Tierra. Según los investigadores, el "descubrimiento muestra que el agua ha prevalecido en el universo durante casi toda su existencia". [114] [115]

Se ha detectado agua en las nubes interestelares dentro de nuestra galaxia , la Vía Láctea . [116] El agua probablemente también exista en abundancia en otras galaxias, porque sus componentes, el hidrógeno y el oxígeno, se encuentran entre los elementos más abundantes del universo. Según los modelos de formación y evolución del Sistema Solar y de otros sistemas estelares, es probable que la mayoría de los demás sistemas planetarios tengan ingredientes similares.

Vapor de agua

El agua está presente en forma de vapor en:

  • Atmósfera del Sol : en trazas detectables [117]
  • Atmósfera de Mercurio : 3,4% y grandes cantidades de agua en la exosfera de Mercurio [118]
  • Atmósfera de Venus : 0,002% [119]
  • Atmósfera de la Tierra : ≈0,40% sobre la atmósfera total, típicamente 1–4% en la superficie; así como la de la Luna en trazas [120]
  • Atmósfera de Marte : 0.03% [121]
  • Atmósfera de Ceres [122]
  • Atmósfera de Júpiter : 0,0004% [123] - solo en hielos ; y el de su luna Europa [124]
  • Atmósfera de Saturno - sólo en hielos ; Encelado : 91% [125] y Dione (exosfera) [ cita requerida ]
  • Atmósfera de Urano - en trazas por debajo de 50 bar
  • Atmósfera de Neptuno : se encuentra en las capas más profundas [126]
  • Atmósferas de planetas extrasolares : incluidas las de HD 189733 b [127] y HD 209458 b , [128] Tau Boötis b , [129] HAT-P-11b , [130] [131] XO-1b , WASP-12b , WASP- 17b y WASP-19b . [132]
  • Atmósferas estelares : no se limitan a estrellas más frías e incluso se detectan en estrellas gigantes calientes como Betelgeuse , Mu Cephei , Antares y Arcturus . [131] [133]
  • Discos circunestelares : incluidos los de más de la mitad de las estrellas T Tauri , como AA Tauri [131] y TW Hydrae , [134] [135] IRC +10216 [136] y APM 08279 + 5255 , [114] [115] VY Canis Majoris y S Persei . [133]

Agua líquida

El agua líquida está presente en la Tierra, cubriendo el 71% de su superficie. [3] El agua líquida también está presente ocasionalmente en pequeñas cantidades en Marte . [137] Los científicos creen que el agua líquida está presente en las lunas de Encelado de Saturno , como un océano de 10 kilómetros de espesor aproximadamente a 30-40 kilómetros por debajo de la superficie del polo sur de Encelado, [138] [139] y Titán , como una capa subsuperficial, posiblemente mezclado con amoniaco . [140] La luna Europa de Júpiter tiene características superficiales que sugieren un océano de agua líquida subsuperficial. [141] El agua líquida también puede existir en la luna de Júpiter, Ganímedes.como una capa intercalada entre hielo y roca a alta presión. [142]

Agua helada

El agua está presente como hielo en:

La capa de hielo del polo sur de Marte durante el verano del sur marciano de 2000
  • Marte : debajo del regolito y en los polos. [143] [144]
  • Sistema Tierra-Luna: principalmente como capas de hielo en la Tierra y en cráteres lunares y rocas volcánicas [145] La NASA informó de la detección de moléculas de agua por el Moon Mineralogy Mapper de la NASA a bordo de la nave espacial Chandrayaan-1 de la Organización de Investigación Espacial de la India en septiembre de 2009. [146]
  • Ceres [147] [148] [149]
  • Las lunas de Júpiter: la superficie de Europa y también la de Ganímedes [150] y Calisto [151] [152]
  • Saturno: en el sistema de anillos del planeta [153] y en la superficie y el manto de Titán [154] y Encelado [155]
  • Sistema Plutón - Caronte [153]
  • Cometas [156] [157] y otros objetos relacionados del cinturón de Kuiper y nubes de Oort [158]

Y también es probable que esté presente en:

  • Los polos de Mercurio [159]
  • Tetis [160]

Formas exóticas

El agua y otros volátiles probablemente comprenden gran parte de las estructuras internas de Urano y Neptuno y el agua en las capas más profundas puede estar en forma de agua iónica en la que las moléculas se descomponen en una sopa de iones de hidrógeno y oxígeno, y aún más profundamente como superiónica. agua en la que cristaliza el oxígeno pero los iones de hidrógeno flotan libremente dentro de la red de oxígeno. [161]

Agua y habitabilidad planetaria

La existencia de agua líquida y, en menor medida, sus formas gaseosas y sólidas en la Tierra son vitales para la existencia de vida en la Tierra tal como la conocemos. La Tierra está ubicada en la zona habitable del Sistema Solar ; si estuviera un poco más cerca o más lejos del Sol (alrededor del 5%, o alrededor de 8 millones de kilómetros), las condiciones que permiten que las tres formas estén presentes simultáneamente serían mucho menos probables. [162] [163]

La gravedad de la Tierra le permite mantener una atmósfera . El vapor de agua y el dióxido de carbono en la atmósfera proporcionan un amortiguador de temperatura ( efecto invernadero ) que ayuda a mantener una temperatura superficial relativamente estable. Si la Tierra fuera más pequeña, una atmósfera más fina permitiría temperaturas extremas, evitando así la acumulación de agua excepto en los casquetes polares (como en Marte ). [ cita requerida ]

La temperatura de la superficie de la Tierra ha sido relativamente constante a lo largo del tiempo geológico a pesar de los diferentes niveles de radiación solar entrante ( insolación ), lo que indica que un proceso dinámico gobierna la temperatura de la Tierra a través de una combinación de gases de efecto invernadero y albedo superficial o atmosférico . Esta propuesta se conoce como la hipótesis de Gaia . [ cita requerida ]

El estado del agua en un planeta depende de la presión ambiental, que está determinada por la gravedad del planeta. Si un planeta es suficientemente masivo, el agua en él puede ser sólida incluso a altas temperaturas, debido a la alta presión causada por la gravedad, como se observó en los exoplanetas Gliese 436 b [164] y GJ 1214 b . [165]

Derecho, política y crisis

Una estimación de la proporción de personas en países en desarrollo con acceso a agua potable 1970-2000

La política del agua es una política afectada por el agua y los recursos hídricos . Por esta razón, el agua es un recurso estratégico en el mundo y un elemento importante en muchos conflictos políticos. Provoca impactos en la salud y daños a la biodiversidad.

El acceso al agua potable ha mejorado en las últimas décadas en casi todas las partes del mundo, pero aproximadamente mil millones de personas todavía carecen de acceso a agua potable y más de 2500 millones carecen de acceso a un saneamiento adecuado . [166] Sin embargo, algunos observadores han estimado que para 2025 más de la mitad de la población mundial se enfrentará a la vulnerabilidad derivada del agua. [167] Un informe, publicado en noviembre de 2009, sugiere que para 2030, en algunas regiones en desarrollo del mundo, la demanda de agua superará la oferta en un 50%. [168]

1.600 millones de personas han obtenido acceso a una fuente de agua potable desde 1990. [169] Se calcula que la proporción de personas en los países en desarrollo con acceso a agua potable ha mejorado del 30% en 1970 [170] al 71% en 1990, 79% en 2000 y el 84 por ciento en 2004. [166]

Un informe de las Naciones Unidas de 2006 afirmó que "hay suficiente agua para todos", pero que el acceso a ella se ve obstaculizado por la mala gestión y la corrupción. [171] Además, las iniciativas mundiales para mejorar la eficiencia de la prestación de ayuda, como la Declaración de París sobre la eficacia de la ayuda , no han sido adoptadas por los donantes del sector del agua con tanta eficacia como lo han hecho en educación y salud, lo que podría dejar a varios donantes trabajando en proyectos superpuestos y gobiernos receptores sin poder para actuar. [172]

Los autores de la Evaluación integral de la gestión del agua en la agricultura de 2007 citaron la mala gobernanza como una de las razones de algunas formas de escasez de agua. La gobernanza del agua es el conjunto de procesos formales e informales a través de los cuales se toman decisiones relacionadas con la gestión del agua. La buena gobernanza del agua se trata principalmente de saber qué procesos funcionan mejor en un contexto físico y socioeconómico particular. A veces se han cometido errores al tratar de aplicar "planos" que funcionan en el mundo desarrollado a ubicaciones y contextos del mundo en desarrollo. El río Mekong es un ejemplo; una revisión del Instituto Internacional de Gestión del Aguade las políticas en seis países que dependen del río Mekong para obtener agua encontraron que rara vez se realizaban análisis de costo-beneficio y evaluaciones de impacto ambiental exhaustivos y transparentes. También descubrieron que el proyecto de ley de aguas de Camboya era mucho más complejo de lo necesario. [173]

El Informe de las Naciones Unidas sobre el desarrollo de los recursos hídricos en el mundo (WWDR, ​​2003) del Programa Mundial de Evaluación de los Recursos Hídricos indica que, en los próximos 20 años, se prevé que la cantidad de agua disponible para todos disminuya en un 30%. Actualmente, el 40% de los habitantes del mundo no tiene suficiente agua dulce para una higiene mínima . Más de 2,2 millones de personas murieron en 2000 a causa de enfermedades transmitidas por el agua (relacionadas con el consumo de agua contaminada) o la sequía. En 2004, la organización benéfica del Reino Unido WaterAid informó que un niño muere cada 15 segundos por enfermedades relacionadas con el agua que se pueden prevenir fácilmente; a menudo esto significa falta de eliminación de aguas residuales. [ cita requerida ]

Las organizaciones interesadas en la protección del agua incluyen la Asociación Internacional del Agua (IWA), WaterAid , Water 1st y la Asociación Estadounidense de Recursos Hídricos. El Instituto Internacional de Gestión del Agua lleva a cabo proyectos con el objetivo de utilizar una gestión eficaz del agua para reducir la pobreza. Las convenciones relacionadas con el agua son la Convención de las Naciones Unidas de Lucha contra la Desertificación (CLD), la Convención Internacional para la Prevención de la Contaminación por los Buques , la Convención de las Naciones Unidas sobre el Derecho del Mar y la Convención de Ramsar . El Día Mundial del Agua tiene lugar el 22 de marzo [174] yDía Mundial de los Océanos el 8 de junio. [175]

En cultura

Religión

La gente viene al manantial Inda Abba Hadera ( Inda Sillasie , Etiopía ) para lavarse con agua bendita

El agua se considera un purificador en la mayoría de las religiones. Las religiones que incorporan el lavado ritual ( ablución ) incluyen el cristianismo , el hinduismo , el islam , el judaísmo , el movimiento rastafari , el sintoísmo , el taoísmo y la wicca . La inmersión (o aspersión o afusión ) de una persona en agua es un sacramento central del cristianismo (donde se llama bautismo ); También es parte de la práctica de otras religiones, incluido el Islam ( Ghusl ), el judaísmo ( mikve ) y el sijismo.( Amrit Sanskar ). Además, se realiza un baño ritual en agua pura para los muertos en muchas religiones, incluido el islam y el judaísmo. En el Islam, las cinco oraciones diarias se pueden realizar en la mayoría de los casos después de completar el lavado de ciertas partes del cuerpo con agua limpia ( wudu ), a menos que no haya agua disponible (ver Tayammum ). En Shinto, el agua se usa en casi todos los rituales para limpiar a una persona o un área (por ejemplo, en el ritual del misogi ).

En el cristianismo, el agua bendita es agua que ha sido santificada por un sacerdote con el propósito del bautismo , la bendición de personas, lugares y objetos, o como un medio para repeler el mal. [176] [177]

En el zoroastrismo , el agua ( āb ) se respeta como fuente de vida. [178]

Filosofía

El filósofo griego Empédocles sostuvo que el agua es uno de los cuatro elementos clásicos junto con el fuego, la tierra y el aire , y se la consideraba el ylem o sustancia básica del universo. Tales , quien fue retratado por Aristóteles como un astrónomo e ingeniero, teorizó que la tierra, que es más densa que el agua, emergió del agua. Thales, un monista , creía además que todas las cosas están hechas de agua. Platón creía que la forma del agua es un icosaedro, lo que explica por qué puede fluir fácilmente en comparación con la tierra en forma de cubo. [179]

En la teoría de los cuatro humores corporales , el agua estaba asociada con la flema , por ser fría y húmeda. El elemento clásico del agua fue también uno de los cinco elementos de la filosofía tradicional china , junto con la tierra , el fuego , la madera y el metal .

El agua también se toma como modelo a seguir en algunas partes de la filosofía asiática tradicional y popular . La traducción de James Legge de 1891 del Dao De Jing afirma: "La excelencia más alta es como (la del) agua. La excelencia del agua aparece en el hecho de que beneficia a todas las cosas y en que ocupa, sin esforzarse (al contrario), el lugar bajo que a todos los hombres no les gusta. Por lo tanto (su camino) está cerca (del) del Tao "y" No hay nada en el mundo más suave y débil que el agua, y sin embargo, para atacar las cosas que son firmes y fuertes no hay nada que puede tener prioridad sobre él, porque no hay nada (tan eficaz) por lo que pueda cambiarse ". [180] Guanzien el capítulo "Shui di" 水 地 profundiza en el simbolismo del agua, proclamando que "el hombre es agua" y atribuyendo cualidades naturales de la gente de diferentes regiones chinas al carácter de los recursos hídricos locales. [181]

Arte y activismo

La pintora y activista Fredericka Foster comisarió El valor del agua , en la Catedral de San Juan el Divino en la ciudad de Nueva York, [182] que ancló una iniciativa de un año de la Catedral sobre nuestra dependencia del agua. [183] [184] La exposición más grande que haya aparecido en la Catedral, [185] contó con más de cuarenta artistas, incluidos Jenny Holzer , Robert Longo , Mark Rothko , William Kentridge , April Gornik , Kiki Smith , Pat Steir , William Kentridge ,Alice Dalton Brown , Teresita Fernandez y Bill Viola . [186] [187] El sitio web de defensa del agua Think About Water fue creado por Foster para destacar a los artistas que utilizan el agua como tema o medio.

Parodia del monóxido de dihidrógeno

El nombre químico técnicamente correcto pero rara vez utilizado del agua , "monóxido de dihidrógeno", se ha utilizado en una serie de engaños y bromas que se burlan del analfabetismo científico . Esto comenzó en 1983, cuando apareció un artículo del Día de los Inocentes en un periódico de Durand, Michigan . La historia falsa consistió en preocupaciones de seguridad sobre la sustancia. [188]

Ver también

  • Contorno de agua
  • El agua (página de datos) es una colección de propiedades químicas y físicas del agua.
  • Aquaphobia (miedo al agua)
  • Efecto mpemba
  • Deshidración
  • Terapia de rehidratación oral
  • Sed
  • Análisis de pellizcos de agua

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Otras lecturas

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  • Debenedetti, PG., Y HE Stanley, "Supercooled and Glassy Water", Physics Today 56 (6), págs. 40-46 (2003). PDF descargable (1,9 MB)
  • Franks, Felix (2007). Agua: una matriz de vida (2ª ed.). Real Sociedad de Química. ISBN 9781847552341.
  • Gleick, PH., (Editor), The World's Water: The Biennial Report on Freshwater Resources . Island Press, Washington, DC (publicado cada dos años, a partir de 1998). The World's Water, Island Press
  • Jones, Oliver A .; Lester, John N .; Voulvoulis, Nick (2005). "Productos farmacéuticos: ¿una amenaza para el agua potable?". Tendencias en biotecnología . 23 (4): 163-167. doi : 10.1016 / j.tibtech.2005.02.001 . PMID  15780706 .
  • Revista de investigación y educación sobre el agua contemporánea
  • Postel, S., Último Oasis: Enfrentando la escasez de agua . WW Norton and Company, Nueva York. 1992
  • Reisner, M., Cadillac Desert: El oeste americano y su agua que desaparece . Penguin Books, Nueva York. 1986.
  • Informe de las Naciones Unidas sobre el desarrollo de los recursos hídricos en el mundo . Producido cada tres años.
  • St. Fleur, Nicolás. El agua de tu vaso puede ser más antigua que el sol . "El agua que bebes es más antigua que el planeta en el que estás parado". The New York Times (15 de abril de 2016)

enlaces externos

  • Estadísticas del agua de la OCDE
  • La página mundial de datos sobre el agua
  • Base de datos completa sobre el agua de la FAO, AQUASTAT
  • La cronología del conflicto del agua: base de datos de conflictos del agua
  • Escuela de ciencias del agua (USGS)
  • Portal de la estrategia, el trabajo y las publicaciones asociadas del Banco Mundial sobre los recursos hídricos
  • Asociación Estadounidense de Recursos Hídricos Archivado el 24 de marzo de 2018 en Wayback Machine
  • Agua en la web
  • Estructura del agua y ciencia Archivado el 28 de diciembre de 2014 en la Wayback Machine.
  • Por qué el agua es una de las cosas más extrañas del universo BBC Ideas, Video, 3:16 minutos, 2019
  • La química del agua (informe especial de NSF)
  • La Asociación Internacional de las Propiedades del Agua y el Vapor
  • H2O: The Molecule That Made Us , un documental de PBS de 2020