Análisis de la teoría aceptada sobre la disociación del agua

 

Analysis of the water dissociation accepted theory

 

Everardo Aceves-Navarro

 

Campus Campeche. Colegio de Postgraduados. 24050. Nicaragua No. 91. Col. Santa Ana. Campeche, Cam. México. (everardoan@colpos.mx).

 

Resumen

En este ensayo se cuestiona la teoría actualmente aceptada sobre la disociación del agua, ya que un protón H+ no puede existir como partícula aislada, considerando las características de la estructura del agua. Aun cuando se dice que el protón puede existir hidratado como ion hidronio (H₃O+), las tentativas espectroscópicas más recientes para probar su existencia han fallado. La práctica de medir la disociación del agua usando corriente eléctrica ha inducido la generación de diversos símbolos para representar una partícula que no existe naturalmente. Para mostrar la no disociación del agua, tómese cualquier solución acuosa de ácido clorhídrico, dentro de la cual, como la química clásica supone, los radicales Cl, H+ y OH^- se encuentran disociados dentro de la solución. Si se aplica calor y la solución hierve y se evapora, siempre se observa que las moléculas de H₂O y HCl se evaporan completas y nunca se evaporan iones separados. De esta observación se concluye que el HCl y el agua no se disociaron dentro de la solución, ya que ésto significaría pasar de un sistema desordenado, iones en solución, a uno más ordenado, moléculas completas evaporadas de la solución con aumento de la temperatura, lo que contradice la segunda ley de la termodinámica.

Palabras clave: Constante dieléctrica, estructura del agua, ligaduras de hidrógeno.

 

Abstract

In this essay, the actual accepted water dissociation theory is questioned, because a single proton H⁺ cannot exist as an isolated particle considering the water structure characteristics. Even though it is said that the proton can exist hydrated as H₃O+, the most recent spectroscopic attempts to prove the existence of this particle have failed. The practice of measuring water dissociation with the passage of electric current has led to the generation of different symbols to represent a particle that does not naturally exist. To support water no dissociation, let us consider any aqueous solution of hydrochloric acid in which, as classic chemistry assumes, the Cl, H+ and OH^- radicals are dissociated inside the solution. If heat is applied and the solution boils and evaporates, it is always observed that molecules of H₂O and HCl are evaporated completely and never evaporate detached ions. From this observation can be concluded that HCl and water were not dissociated inside the solution. If really these compounds were dissociated in the solution, it would mean going from a disorderly system, ions in solution, to an orderly one, molecules evaporated from the solution by temperature increase. This clearly contradicts the thermodynamics second law.

Key words: Dielectric constant, water structure, water hydrogen bonds.

 

Introducción

Este trabajo se motivó por las peculiares características fisicoquímicas del agua, y se encontró una contradicción muy importante con las teorías generalmente aceptadas. En la literatura se asienta que, debido a sus características estructurales, las moléculas de agua están unidas fuertemente por ligaduras de hidrógeno, y para separar las contenidas en un mol de agua (partiendo de agua sólida a 0°C hasta evaporarse a 100°C), dejando moléculas aisladas, se requieren 12.96 kcal, y la cantidad de energía requerida para romper los enlaces químicos hidrógeno-oxígeno en un mol de agua es 109.4 kcal, que son enormes cantidades de energía (Guerasimov et al., 1971). Se dice que el agua se disocia formando iones. La primera pregunta que surge es: si las moléculas de agua tienen las características mencionadas ¿cómo es posible que estos iones separados existan entre sus propias moléculas bipolares, que unidas por enlaces covalentes y ligaduras de hidrógeno forman precisamente la estructura del agua? Ésto implica que, por lo menos para el caso de las moléculas de agua, el concepto de disociación debe revisarse (Aceves, 1990).

En este ensayo se cuestiona la teoría actualmente aceptada para la disociación del agua, ya que un protón H⁺ no puede existir como partícula aislada, considerando las características de la estructura del agua (Bernal y Fowler, 1933; Chaplin, 2005). Aunque se dice que un protón puede existir hidratado como H₃O⁺, las tentativas más recientes de probar la existencia de esta partícula han fallado (Keenan y Wood, 1983). Los estudios espectroscópicos del agua proponen la existencia de agrupaciones moleculares complejas como H₉O₄⁺; y lo mismo se dice sobre el ion OH^-, para el cual se proponen estructuras del tipo H₇O₄^- (Chaplin, 2005). La medición de la disociación del agua por el paso de corriente eléctrica ha generado diversos símbolos para representar una partícula que no existe (Aceves, 1990).

 

Forma moleclar del agua

Una molécula de agua está formada por enlaces covalentes entre un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, con sus núcleos ordenados en forma de V, dando origen a una molécula polar (Chaplin, 2005), (Figura 1).

Dado que el núcleo de hidrógeno es esencialmente un protón desnudo, el lado positivo de una molécula de agua atrae al lado negativo de otra. Al tener la molécula forma de V, las líneas que unen los centros de los átomos de hidrógeno con el centro del átomo de oxígeno no forman un ángulo de 180°, sino uno de 105° (Chaplin, 2005). Esto convierte a la molécula polar y muy reactiva (Figura 2).

La forma molecular del agua exhibe una marcada tendencia a orientarse en un campo eléctrico, natural o inducido, con el extremo positivo hacia el polo negativo y el negativo hacia el positivo. La intensidad de esta tendencia se llama momento bipolar, que depende de la magnitud y separación entre las cargas, que en el caso del agua es muy elevado y tiene un valor de 1.83 Debyes, (Davis y Day, 1964).

Este momento bipolar de las moléculas de agua no es suficiente por sí solo para explicar sus características inusuales. Cada molécula de agua en estado sólido puede formar cuatro ligaduras de hidrógeno con las moléculas vecinas. Cuando el hielo se derrite causa que éstas se distribuyan en una red de tipo seudo-cristalino lo que hace que el agua sea líquida y no gas a temperatura ambiente (Chaplin, 2005).

 

El agua como reactivo

El agua se considera usualmente como el medio donde ocurren las reacciones biológicas fundamentales para la vida, sin considerar su importancia como reactivo en estos procesos, ya que en la mayoría de las reacciones químicas y bioquímicas en la naturaleza, el agua mantiene su integridad molecular bajo condiciones en las cuales otras sustancias no podrían.

El agua únicamente modifica su estructura en las reacciones en que participa rompiendo o formando ligaduras de hidrógeno, así como por la separación de los enlaces internos de los átomos de hidrógeno y oxígeno en sus moléculas, principalmente cuando reacciona para formar ácidos o bases fuertes, (Bernal, 1965); pero las moléculas de agua no se disocian, únicamente se orientan alrededor de las sustancias con las que están en contacto, o cambian su propia estructura cuando a una determinada temperatura y presión se le hace pasar una corriente eléctrica para medir lo que se conoce como pH y las constantes dieléctrica y de disociación.

Los resultados obtenidos se generan por la reorientación y la polarización de las moléculas de agua cuando son sometidas a la acción externa de un campo eléctrico; la estructura del agua es modificada drásticamente y permite que la corriente eléctrica fluya con mayor facilidad. Con esto se concluye que cuando una corriente eléctrica pasa a través del agua, las moléculas no se disocian, sólo se reorientan rompiendo o formando ligaduras de hidrógeno.

 

Características dieléctricas

Otra característica distintiva del agua es la llamada constante dieléctrica, la cual realmente no es una constante (Chaplin, 2005; Cuadro 1); ya que varía en función de la temperatura y la frecuencia de la corriente eléctrica utilizada, así como de la concentración de las sustancias disueltas o suspendidas.

La constante dieléctrica del agua es su tendencia a orientarse y a neutralizar un campo eléctrico, y es una de sus características más importantes en relación con el comportamiento y estructura de las soluciones, en términos de las características de los solutos con los que está en contacto, (Guerasimov et al., 1971).

El agua pura no existe en la naturaleza, lo que existe son soluciones con sales y otros tipos de solutos en organismos vivos, océanos, lagos, ríos y con gases en la atmósfera en forma de vapor. Es necesario tener presente que todos los cuerpos de agua en la naturaleza tienen electro neutralidad, así, cuando su constante dieléctrica se mide a una temperatura y presión dadas, el resultado es generado por la reorientación y la polarización de las moléculas cuando se someten a la acción externa de un campo eléctrico, o a una determinada fuerza eléctrica; así como por la ruptura de algunas ligaduras de hidrógeno causada por las sustancias disueltas o suspendidas que modifican su estructura. El valor obtenido es el efecto causado por el método usado en la determinación.

 

Análisis de la disociación del agua

Hasta hoy la ciencia ha aceptado y establecido muchos principios sobre la disociación del agua. Se acepta que las moléculas de agua se disocian formando iones que reaccionan con otras sustancias para producir nuevos compuestos (Keenan y Wood, 1983). Según esta visión, cada molécula de agua puede comportarse como ácido o como base. Un ácido es una sustancia que cede protones y una base la sustancia que los acepta; esto de acuerdo con la definición de Bronsted (Guerasimov et al., 1971).

Siguiendo este razonamiento tenemos las reacciones:

Para mostrar la no disociación del agua, considérese cualesquier solución acuosa de ácido clorhídrico, dentro de la cual, como la química clásica supone, el Cl^-, H⁺ y OH^- se encuentran disociados dentro de la solución. Si se aplica calor y la solución hierve y se evapora, siempre se observa que las moléculas de H₂O y HCl se evaporan completas y nunca se evaporan iones separados. (Guerasimov et al., 1971).

De esta observación se concluye que HCl y H₂O no pueden encontrarse disociados dentro de la solución, ya que ésto significaría pasar de un sistema desordenado, iones en solución, a uno mas ordenado, moléculas completas evaporadas de la solución con aumento de la temperatura, lo que contradice la segunda ley de la termodinámica. Cuando se aumenta la temperatura de la solución, las ligaduras de hidrógeno formadas se rompen y las moléculas aisladas se evaporan guardando su integridad; pasando de un sistema ordenado, moléculas unidas por ligaduras de hidrógeno en la estructura de la solución, a moléculas aisladas por evaporación, lo que no contradice la segunda ley de la termodinámica.

Esto reafirma el hecho indicado aquí: el agua no se disocia, solamente modifica su estructura por la ruptura o la formación de ligaduras de hidrógeno, en función de la frecuencia e intensidad de la corriente eléctrica que se hace pasar través de la solución; así como por las características de las sustancias disueltas o suspendidas; es decir composición, electronegatividad, forma y tamaño molecular o iónico, tipo de enlaces químicos, estructura, las cargas electrostáticas y superficie específica. Cuando todas estas características interactúan con el agua, su estructura se modifica y con ella una serie de características tales como la constante dieléctrica y, como consecuencia, la resistencia al paso de la corriente eléctrica.

Para medir el grado de disociación del agua una corriente eléctrica se pasa a través de la misma, (Guerasimov et al., 1971), y con esto se calcula lo qué se conoce como constante de disociación, la cual varía con la temperatura (Cuadro 2).

A temperatura, presión y concentración del soluto dados, la ruptura de enlaces de hidrógeno y el cambio en la estructura del agua es directamente proporcional al paso de una corriente eléctrica de intensidad conocida que pasa a través de un volumen de agua. Ésto produce una reducción de la constante dieléctrica durante el proceso. Cuando el paso de la corriente eléctrica se detiene, y la temperatura y presión permanecen constantes, el agua toma de nuevo su estructura original. Por esta razón, cuando la constante de disociación se mide pasando electricidad, lo que realmente se mide es un efecto causado y no un fenómeno presente en la naturaleza. Por tanto, la disociación del agua no es constante ni existe como tal.

 

El pH como cambio en la estructura del agua

No hay discusión sobre la utilidad del pH en los procesos biológicos, químicos e industriales. Lo que se cuestiona es qué se mide y la parte conceptual de la medida.

En el supuesto de que el agua se disocia, se ha generado la teoría de ácidos y bases y, de la misma manera, se ha fundado el concepto del pH. Esta falsa suposición es la razón por la que no hay un método exacto para medir el pH del agua, de las soluciones y de las suspensiones (Baes y Mesmer, 1986). El problema reside en el origen del concepto, desde que Sórensen usó el hidrógeno disociado (Guerasimov et al., 1971) en soluciones de ácido para determinar la concentración del ion H⁺, que llamó el grado de disociación, que determinó midiendo la conductividad eléctrica y multiplicándola por la concentración. Para determinar el pH se utiliza la medida potenciométrica de la actividad del ion de hidrógeno. Estos iones supuestamente disueltos en el agua o en la solución se miden, y el pH se calcula usando la ecuación de Sórensen (Baes y Mesmer, 1986): pH = -log(H).

Se ha encontrado que, con cualquier método de medida de la concentración o actividad del H⁺ en agua o en una solución, se obtienen fuertes variaciones en los valores obtenidos, dependiendo del tipo de electrodo, concentración de la solución, tipo de ión disuelto o material suspendido, tal como arcillas y coloides orgánicos; así como con la temperatura (Baes y Mesmer, 1986). Esto sucede porque el agua no se disocia.

Si se acepta que el agua no se disocia, el estudio de las reacciones de hidrólisis tendría que revisarse, ya que esta teoría no sería aplicable, especialmente porque el método del potenciómetro es el más extensamente usado para medir concentraciones de hidrógeno en las soluciones (Baes y Mesmer, 1986). Este método no es exacto y tiene errores conceptuales. Por esa razón la teoría de la hidrólisis tendrá que ser analizada como fenómeno de hidratación de partículas y cambios en la estructura del agua causados por modificaciones de sus ligaduras de hidrógeno, como resultado de estar en contacto con diversos solutos cuyas características causan esos cambios.

Se sabe que las moléculas de agua son eléctricamente muy reactivas, además siempre tienden a neutralizar el campo eléctrico al que se someten (Davis y Day, 1964). Por esta razón su arreglo depende de las cargas vecinas de las sustancias disueltas que generan cambios y nuevas estructuras moleculares, donde las moléculas de agua en ocasiones son tan fuertemente retenidas que se convierten en parte de la nueva estructura (Franks, 1973). Lo que el potenciómetro mide es un efecto causado por el método de medida usado.

Aquí se propone que la acidez y la alcalinidad de una solución tiene que ver con la forma de cómo están orientadas las moléculas de agua que rodean las partículas, las moléculas o los iones en solución, las cuales participan en la formación de una nueva estructura y generan cambios y modificaciones en la separación interna entre el hidrógeno y oxígeno de las moléculas de agua. Estos cambios se dan en términos de negatividad, polaridad, concentración e intensidad de carga de los solutos (Bernal, 1965). Ésta es la razón por la que hay cambios en el valor de la constante dieléctrica cuando se hace pasar una corriente eléctrica y, por consiguiente, en la medida del pH que se determina con el potenciómetro. Asimismo, esto explica el hecho que el OH^- contenido en el compuesto HOCL, ácido hipocloroso, actúa como ácido, mientras que en otro compuesto como NaOH, actúa como base (Keenan y Wood, 1983). La diferencia se debe a la forma en que las moléculas de agua se enlazan y se orientan para formar la estructura de la solución respectiva. Según Bernal (1965), la separación interna en la molécula de agua entre el hidrógeno y el oxígeno en un pH ácido es 1.05Å, en un alcalino 0.85Å y en un neutro 0.96Å. La estructura resultante es la que genera la acidez y alcalinidad del medio. Cuando a un cierto nivel de concentración un soluto no modifica la separación interna del oxígeno e hidrógeno, o la estructura y orientación de las moléculas de agua en una solución dada, se dice que este soluto tiene la capacidad de amortiguar el pH. Dicho de otro modo, la estructura del agua y la separación interna de sus átomos en la molécula no experimenta modificaciones significativas.

Las moléculas de ácidos y de bases fuertes no se disocian, son rodeadas por moléculas de agua fuertemente polarizadas que se convierten totalmente en parte de la estructura de la solución, rompiendo y formando drástica y violentamente enlaces del hidrógeno, cambiando la estructura original del agua y liberando cantidades considerables de calor y formando una estructura totalmente diferente a la del agua. Esto ocurre como consecuencia de la ruptura violenta de las ligaduras de hidrógeno y de la separación y electronegatividad de los átomos, ya que los protones existen prácticamente desnudos en la nueva estructura formada, con las moléculas insertadas del soluto y del solvente, unidas fuertemente por enlaces de hidrógeno, debido a la distribución desigual de la densidad de los electrones. Esto da a las soluciones un carácter muy reactivo que distingue a los ácidos y las bases fuertes. Es importante precisar que en ausencia de agua, las sustancias que forman ácidos y bases fuertes no demuestran sus características distintivas (Keenan y Wood, 1983).

Algunas sustancias muestran color porque la estructura de sus moléculas tienen la propiedad de absorber selectivamente longitudes de onda de la luz blanca. Las moléculas de algunos componentes orgánicos usados como indicadores del pH, absorben selectivamente longitudes de onda en la parte visible del espectro, y transmiten la luz coloreada en función del grado de modificación de la estructura original. El color, o la ausencia de él, entiéndase como cambio en la estructura de la solución, sirve para medir el pH de la solución de referencia, según una escala de colores calibrada previamente para diversas sustancias indicadoras del pH. Es importante tener presente que una gran parte del desarrollo de la química moderna se ha logrado con la manipulación de experimentos realizados en laboratorios o en las industrias. Estos compuestos no existen en la naturaleza. En general estos compuestos sintéticos se forman en procesos de hidratación y deshidratación por ruptura o formación de ligaduras de hidrógeno en sus moléculas, en reacciones químicas provocadas que ocurren a temperaturas y presiones muy elevadas o por el paso de una corriente eléctrica (Guerasimov et al., 1971; Keenan y Wood, 1983). El problema es que los resultados y comportamiento de estas sustancias obtenidas por manipulación en el laboratorio se extrapolan a procesos que ocurren en la naturaleza, sin verificar su reproducibilidad bajo condiciones de campos eléctricos, temperatura y presión; donde la vida se desarrolla y muchas de estas sustancias no existen como tal.

 

Conclusiones

Del análisis se puede concluir que el agua no se disocia, sólo modifica su estructura en las reacciones donde participa rompiendo o formando ligaduras de hidrógeno, así como por la separación en sus moléculas de los enlaces internos de los átomos de hidrógeno y de oxígeno, cuando reaccionan con sustancias para formar ácidos o bases fuertes. Las moléculas de agua únicamente se orientan alrededor de las sustancias con las que están en contacto, dependiendo de su composición, electro negatividad, forma y tamaño molecular o iónico, tipo de enlaces químicos, estructura, cargas electrostáticas y superficies específicas.

El agua también cambia su propia estructura cuando a temperatura dada y presión se le pasa una corriente eléctrica, para medir lo que se conoce como la constante dieléctrica y de disociación; así como los valores de pH. Los resultados obtenidos son generados por la reorientación y polarización de las moléculas de agua cuando se someten a la acción externa de un campo eléctrico, la estructura del agua es modifica drásticamente y permite que la corriente eléctrica fluya con mayor facilidad. Esto lleva a la conclusión de que cuando una corriente eléctrica pasa a través del agua, las moléculas no se disocian, sólo se reorientan rompiendo o formando ligaduras de hidrógeno para mantener la electro neutralidad del medio, y las constantes medidas y el pH es un efecto causado por el método que se usa y no un fenómeno presentes en el agua.

La acidez y la alcalinidad de una solución no tiene nada que ver con la actividad del ion hidrógeno en la solución, sino con la orientación de las moléculas de agua que rodean las partículas, moléculas o iones en solución; los cuales participan en la formación de una nueva estructura y generan cambios y modificaciones en la separación interna entre el hidrógeno y oxígeno de las moléculas de agua, en términos de electro negatividad, polaridad, concentración y la intensidad de la carga de estos solutos. Esto explica el hecho de que el OH^- contenido en el componente HOCL, ácido hipocloroso, actúa como ácido, mientras que en otro componente como NaOH, OH^-actúa como base.

 

Literatura citada

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