Capítulo IV

COMPUESTOS DE HIDRÓGENO Y OXÍGENO; AGUA Y DIÓXIDO DE HIDRÓGENO

AGUA

~Histórico.~ Durante mucho tiempo se consideró al agua como un elemento. En 1781, Cavendish demostró que se forma por la unión de hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, al ser partidario de la teoría del flogisto, no interpretó correctamente sus resultados. Unos años después, Lavoisier repitió los experimentos de Cavendish y demostró que el agua debe considerarse un compuesto de hidrógeno y oxígeno.

~Métodos generales empleados para la determinación de la composición de un compuesto.~ La composición de un compuesto puede determinarse mediante dos procesos generales, conocidos como análisis y síntesis.

1. El análisis es el proceso de descomponer un compuesto en sus componentes y determinar cuáles son estos componentes. El análisis es cualitativo cuando solo determina qué elementos componen el compuesto; es cuantitativo cuando se determina el porcentaje exacto de cada componente. Por lo tanto, el análisis cualitativo debe preceder al cuantitativo, ya que es necesario saber qué elementos hay en un compuesto antes de poder idear un método para determinar exactamente cuánto hay de cada uno.

2. La síntesis es el proceso de formar un compuesto a partir de sus partes constituyentes. Por lo tanto, es el proceso inverso al análisis. Al igual que el análisis, puede ser cualitativa o cuantitativa.

~Aplicación de estos métodos a la determinación de la composición del agua.~ La determinación de la composición del agua es un tema de gran interés, no solo por la importancia del compuesto, sino también porque los métodos empleados ilustran los métodos generales de análisis y síntesis.

~Métodos basados en el análisis.~ Los métodos basados en el análisis pueden ser de carácter cualitativo o cuantitativo.

1. Análisis cualitativo. Como se mencionó en el estudio del oxígeno, el agua puede separarse en sus partes componentes mediante la corriente eléctrica. El tipo de aparato que se utiliza normalmente para realizar este análisis se muestra en la Fig. 18. Un alambre de platino, al que se le ha unido un pequeño trozo de lámina de platino (de unos 15 mm por 25 mm), se funde a través de cada uno de los tubos B y D, como se muestra en la figura. Se abren las llaves de paso en los extremos de estos tubos y se vierte agua, a la que se ha añadido aproximadamente una décima parte de su volumen de ácido sulfúrico, en el tubo A hasta que los tubos laterales B y D quedan completamente llenos. Luego se cierran las llaves de paso. Los alambres de platino que se extienden dentro de los tubos B y D se conectan ahora con los cables que provienen de dos o tres pilas de dicromato conectadas en serie. Las piezas de lámina de platino dentro de los tubos se convierten así en los electrodos, y la corriente fluye de uno a otro a través del agua acidulada. Tan pronto como pasa la corriente, burbujas de gas ascienden desde cada uno de los electrodos y se recogen en la parte superior de los tubos. Se observa que el gas que asciende desde el electrodo negativo es hidrógeno, mientras que el del electrodo positivo es oxígeno. Se verá que el volumen de hidrógeno es aproximadamente el doble que el de oxígeno. El oxígeno es más soluble en agua que el hidrógeno, y una pequeña cantidad también se pierde al convertirse en ozono y otras sustancias. Se ha comprobado que, al realizar las correcciones necesarias por el error debido a estos hechos, el volumen de hidrógeno es exactamente el doble que el de oxígeno.

La Fig. 19 ilustra una forma más simple de aparato, que puede usarse en lugar del mostrado en la Fig. 18. Un plato de vidrio o porcelana se llena parcialmente con agua a la que se ha añadido la cantidad adecuada de ácido. Dos tubos llenos con el mismo líquido se invierten sobre los electrodos. Los gases resultantes de la descomposición del agua se recogen en los tubos.

2. Análisis cuantitativo. El análisis recién descrito es puramente cualitativo y simplemente muestra que el agua contiene hidrógeno y oxígeno. No prueba la ausencia de otros elementos; de hecho, no demuestra que el hidrógeno y el oxígeno estén presentes en la proporción en la que son liberados por la corriente eléctrica. Sin embargo, el método puede hacerse cuantitativo, pesando el agua descompuesta y también el hidrógeno y el oxígeno obtenidos en su descomposición. Si el peso combinado del hidrógeno y el oxígeno es exactamente igual al peso del agua descompuesta, entonces se probaría que el agua consiste en hidrógeno y oxígeno en la proporción en que son liberados por la corriente eléctrica. Sin embargo, este experimento es difícil de realizar, por lo que se utilizan métodos más precisos basados en la síntesis.

~Métodos basados en la síntesis.~ Se requieren dos pasos para determinar la composición exacta del agua por síntesis: (1) demostrar mediante síntesis cualitativa que el agua se forma por la unión de oxígeno con hidrógeno; (2) determinar mediante síntesis cuantitativa en qué proporción se unen los dos elementos para formar agua. El hecho de que el agua se forma por la combinación de oxígeno con hidrógeno se demostró en el capítulo anterior. La síntesis cuantitativa puede realizarse de la siguiente manera:

La combinación de los dos gases se lleva a cabo en un tubo llamado eudiómetro. Este es un tubo graduado de unos 60 cm de largo y 2 cm de ancho, cerrado en un extremo (Fig. 20). Cerca del extremo cerrado, dos alambres de platino se funden a través del vidrio, estando los extremos de los alambres dentro del tubo separados por un espacio de 2 mm o 3 mm. El tubo se llena completamente con mercurio y se invierte en un recipiente con el mismo líquido. Se introduce hidrógeno puro en el tubo hasta que esté lleno aproximadamente en una cuarta parte. El volumen del gas se lee en la escala y se reduce a condiciones estándar. Luego se introduce aproximadamente un volumen igual de oxígeno puro y nuevamente se lee el volumen y se reduce a condiciones estándar. Esto da el volumen total de los dos gases. A partir de esto, el volumen de oxígeno introducido puede determinarse restando de él el volumen de hidrógeno. La combinación de los dos gases se produce ahora conectando los dos alambres de platino a una bobina de inducción y haciendo pasar una chispa de un alambre al otro. Inmediatamente ocurre una ligera explosión. El mercurio en el tubo se deprime al principio debido a la expansión de los gases por el calor generado, pero de inmediato rebota, ocupando el lugar de los gases que se han combinado para formar agua. El volumen del agua en estado líquido es tan pequeño que puede despreciarse en los cálculos. Para que la temperatura del gas residual y del mercurio se iguale, se deja reposar el aparato durante unos minutos. Luego se lee el volumen del gas y se reduce a condiciones estándar, para poder compararlo con los volúmenes de hidrógeno y oxígeno tomados originalmente. El gas residual se prueba para determinar si es hidrógeno u oxígeno, habiéndose comprobado que nunca es una mezcla de ambos. Con la información así obtenida se puede calcular la composición del agua. Así, supongamos que las lecturas fueran las siguientes:

Volumen de hidrógeno tomado 20.3 cc. Volumen de hidrógeno y oxígeno 38.7 Volumen de oxígeno 18.4 Volumen de gas restante después de la combinación (oxígeno) 8.3

Los 20.3 cc de hidrógeno se han combinado con 18.4 cc menos 8.3 cc (o 10.1 cc) de oxígeno; o aproximadamente 2 volúmenes de hidrógeno se han combinado con 1 de oxígeno. Dado que el oxígeno es 15.88 veces más pesado que el hidrógeno, la proporción en peso en la que se combinan los dos gases es de 1 parte de hidrógeno por 7.94 de oxígeno.

~Precaución.~ Si los dos gases se introducen en el eudiómetro en las proporciones exactas en que se combinan, después de que la combinación ha tenido lugar, el líquido subirá y llenará completamente el tubo. Sin embargo, bajo estas condiciones, es muy probable que el tubo se rompa por el súbito ascenso del líquido. Por lo tanto, al realizar el experimento se tiene cuidado de introducir un exceso de uno de los gases.

~Una forma más conveniente de eudiómetro.~ A veces se utiliza una forma de eudiómetro (Fig. 21) diferente a la mostrada en la página 43 para evitar los cálculos necesarios para reducir los volúmenes de los gases a las mismas condiciones de temperatura y presión a fin de hacer comparaciones. Con este aparato es posible tomar las lecturas de los volúmenes bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, y así compararlos directamente. El aparato (Fig. 21) se llena con mercurio y los gases se introducen en el tubo A. El experimento se realiza como en el anterior, excepto que antes de tomar la lectura de los volúmenes de gas, se añade mercurio al tubo B o se retira de él mediante la llave de paso C, hasta que el mercurio esté exactamente a la misma altura en ambos tubos. El gas contenido en el tubo A está entonces bajo presión atmosférica; y como solo se requieren unos minutos para realizar el experimento, las condiciones de temperatura y presión pueden considerarse constantes. Por lo tanto, los volúmenes de hidrógeno y oxígeno y del gas residual pueden leerse en el tubo y compararse directamente.

Método utilizado por Berzelius y Dumas. El método empleado por estos investigadores permite determinar directamente la proporción en peso en la que el hidrógeno y el oxígeno se combinan. La figura 22 ilustra el aparato utilizado para realizar esta determinación. B es un tubo de vidrio que contiene óxido de cobre. C y D son tubos de vidrio llenos de cloruro de calcio, una sustancia que tiene gran afinidad por el agua. Los tubos B y C, incluyendo su contenido, se pesan cuidadosamente, y el aparato se conecta como se muestra en la figura. Luego se hace pasar una corriente lenta de hidrógeno puro a través de A, y se calienta cuidadosamente la parte del tubo B que contiene el óxido de cobre. El hidrógeno se combina con el oxígeno presente en el óxido de cobre para formar agua, que es absorbida por el cloruro de calcio en el tubo C. El cloruro de calcio en el tubo D impide que la humedad del aire entre al tubo C. La operación se continúa hasta que se ha formado una cantidad apreciable de agua. Los tubos B y C se pesan nuevamente. La pérdida de peso en el tubo B será exactamente igual al peso del oxígeno tomado del óxido de cobre en la formación del agua. La ganancia de peso en el tubo C será exactamente igual al peso del agua formada. La diferencia entre estos pesos, por supuesto, será igual al peso del hidrógeno presente en el agua formada.

Resultados de Dumas. El método anterior para la determinación de la composición del agua fue utilizado por primera vez por Berzelius en 1820. El trabajo fue repetido en 1843 por Dumas, cuyo promedio de resultados es el siguiente:

Peso de agua formada 236.36 g. Oxígeno cedido por el óxido de cobre 210.04 — Peso de hidrógeno presente en el agua 26.32

Según este experimento, la proporción de hidrógeno a oxígeno en el agua es, por lo tanto, de 26.32 a 210.04, o de 1 a 7.98.

Resultados de Morley. El químico estadounidense Morley ha determinado recientemente la composición del agua, tomando precauciones extremas para usar materiales puros y eliminar todas las fuentes de error. El hidrógeno y el oxígeno que se combinaron, así como el agua formada, fueron todos pesados con precisión. De acuerdo con los resultados de Morley, 1 parte en peso de hidrógeno se combina con 7.94 partes en peso de oxígeno para formar agua.

Comparación de los resultados obtenidos. De las discusiones anteriores es fácil ver que solo mediante la experimentación se puede determinar la composición de un compuesto. Diferentes métodos pueden conducir a resultados ligeramente distintos. Cuanto más preciso sea el método elegido y mayor la destreza con la que se realice el experimento, más exactos serán los resultados. Generalmente, los químicos consideran que los resultados obtenidos por Morley en relación con la composición del agua son los más precisos. De acuerdo con estos resultados, entonces, el agua debe considerarse como un compuesto que contiene hidrógeno y oxígeno en la proporción de 1 parte en peso de hidrógeno por 7.94 partes en peso de oxígeno.

Relación entre el volumen del vapor acuoso y los volúmenes de hidrógeno y oxígeno que se combinan para formarlo. Cuando la síntesis cuantitativa del agua se realiza en el eudiómetro como se describió anteriormente, el vapor de agua formado por la unión del hidrógeno y el oxígeno se condensa de inmediato. El volumen del líquido resultante es tan pequeño que puede ser despreciado en los cálculos. Sin embargo, si el experimento se lleva a cabo a una temperatura de 100 grados o más, el vapor de agua formado no se condensa y así se hace posible comparar el volumen del vapor con los volúmenes de hidrógeno y oxígeno que se combinaron para formarlo. Esto puede lograrse rodeando el brazo A del eudiómetro (figura 23) con el tubo B por el que se hace pasar el vapor obtenido al hervir algún líquido cuyo punto de ebullición sea superior a 100 grados. De esta manera se ha comprobado que 2 volúmenes de hidrógeno y 1 volumen de oxígeno se combinan para formar exactamente 2 volúmenes de vapor de agua, midiendo todos los volúmenes bajo las mismas condiciones de temperatura y presión. Se notará que la relación entre estos volúmenes puede expresarse en números enteros. El significado de este hecho tan importante será discutido en un capítulo posterior.

Presencia del agua. El agua no solo cubre aproximadamente tres cuartas partes de la superficie de la Tierra, y está presente en la atmósfera en forma de humedad, sino que también es un componente común del suelo y las rocas y de casi todas las formas de organismos animales y vegetales. El cuerpo humano es casi un 70% agua. Esta proviene no solo del agua que bebemos, sino también de los alimentos que consumimos, la mayoría de los cuales contiene un gran porcentaje de agua. Así, las papas contienen aproximadamente un 78% de agua, la leche un 85%, la carne de res más del 50%, las manzanas un 84%, los tomates un 94%.

Impurezas en el agua. El agua químicamente pura contiene solo hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, tal agua nunca se encuentra en la naturaleza, ya que al ser un buen disolvente, absorbe ciertas sustancias de las rocas y el suelo con los que entra en contacto. Cuando estas aguas se evaporan, estas sustancias se depositan en forma de residuo. Incluso el agua de lluvia, que es la forma más pura que se encuentra en la naturaleza, contiene partículas de polvo y gases disueltos de la atmósfera. La materia extraña en el agua es de dos tipos: mineral, como la sal común y la caliza, y orgánica, es decir, productos de la vida animal y vegetal.

Materia mineral en el agua. La cantidad y naturaleza de la materia mineral presente en diferentes aguas varía mucho, dependiendo del tipo de rocas y suelo con los que el agua entra en contacto. Las sustancias más comunes presentes son la sal común y los compuestos de calcio, magnesio y hierro. Un litro de agua de río promedio contiene aproximadamente 175 mg de materia mineral. El agua de pozos profundos naturalmente contiene más materia mineral que el agua de río, generalmente dos o tres veces más, mientras que el agua de mar contiene hasta 35,000 mg por litro.

Efecto de las impurezas en la salud. La materia mineral en el agua no hace que el agua sea perjudicial para el organismo humano, salvo en casos muy excepcionales. De hecho, la presencia de cierta cantidad de esta materia es ventajosa, ya que aporta los componentes minerales necesarios para la formación de los tejidos sólidos del cuerpo. Por otro lado, la presencia de materia orgánica siempre debe considerarse con sospecha. Esta materia orgánica puede consistir no solo en productos de la vida animal y vegetal, sino también en ciertas formas microscópicas de organismos vivos que probablemente acompañen a tales productos. Se sabe que las enfermedades contagiosas se deben a la presencia en el cuerpo de diminutos organismos vivos o gérmenes. Cada enfermedad es causada por su propio tipo particular de germen. A través de las aguas residuales, estos gérmenes pueden llegar desde personas enfermas hasta el suministro de agua, y es principalmente a través del agua potable que ciertas de estas enfermedades, especialmente la fiebre tifoidea, se propagan. Por lo tanto, es de gran importancia poder detectar tales sustancias cuando están presentes en el agua potable, así como idear métodos para eliminarlas o al menos hacerlas inofensivas.

Análisis del agua. El análisis mineral de un agua es, como su nombre lo indica, simplemente la determinación de la materia mineral presente. El análisis sanitario, en cambio, es la determinación de la materia orgánica presente. Las propiedades físicas de un agua no dan pruebas concluyentes sobre su pureza, ya que un agua puede no ser apta para el consumo y, sin embargo, ser perfectamente clara e inodora. Tampoco se puede confiar en los métodos simples que a menudo se dan para probar la pureza del agua. Solo el químico capacitado puede realizar métodos de análisis en los que se pueda confiar.

Purificación del agua. Se emplean tres métodos generales para la purificación del agua: destilación, filtración y ebullición.

1. Destilación. La forma más efectiva de purificar aguas naturales es mediante el proceso de destilación. Este consiste en hervir el agua y condensar el vapor. La figura 24 ilustra el proceso de destilación, tal como se realiza comúnmente en el laboratorio. Se vierte agua común en el matraz A y se hierve. El vapor se conduce a través del condensador B, que consiste esencialmente en un tubo estrecho de vidrio sellado dentro de otro más grande, el espacio entre ambos se llena con agua fría, que entra por C y sale por D. Así, el tubo interior se mantiene frío y el vapor, al pasar por él, se condensa. El agua formada por la condensación del vapor se recoge en el recipiente E y se conoce como agua destilada. Dicha agua es prácticamente pura, ya que las impurezas no son volátiles y permanecen en el matraz A.

Destilación comercial. Para preparar agua destilada a gran escala, el vapor se genera en una caldera u otro recipiente metálico y se condensa haciéndolo pasar por un tubo de metal, generalmente de estaño. Este tubo se enrolla en espiral y se rodea de una corriente de agua fría. El agua destilada es utilizada por el químico en casi todos sus trabajos. También se emplea en la fabricación de hielo artificial y como agua potable.

Destilación fraccionada. Al preparar agua destilada, es evidente que si el agua natural contiene alguna sustancia volátil, su vapor pasará y se condensará junto con el vapor de agua, de modo que el destilado no será agua pura. Sin embargo, incluso estas mezclas generalmente pueden separarse mediante destilaciones repetidas. Así, si se destila una mezcla de agua (punto de ebullición 100 °C) y alcohol (punto de ebullición 78 °C), el alcohol, al tener un punto de ebullición más bajo, tiende a destilarse primero, seguido por el agua. Sin embargo, la separación de ambos no es perfecta, pero puede lograrse casi completamente mediante destilaciones repetidas. El proceso de separar una mezcla de sustancias volátiles por destilación se conoce como destilación fraccionada.

2. Filtración. El proceso de destilación elimina prácticamente toda la materia extraña no volátil, tanto mineral como orgánica. Sin embargo, para purificar el agua destinada al consumo, solo es necesario eliminar la materia orgánica o hacerla inofensiva. Esto se logra comúnmente mediante filtración o ebullición. En la filtración, el agua pasa a través de un medio que retiene la materia orgánica. El carbón común es una sustancia porosa y condensará en sus poros la materia orgánica del agua si se pone en contacto con ella. Por lo tanto, es muy adecuado para la construcción de filtros. Para que estos filtros sean efectivos, deben mantenerse limpios, ya que es evidente que el carbón deja de ser útil una vez que sus poros están llenos. Un tipo de filtro más efectivo es el filtro Chamberlain-Pasteur. En este, el agua es forzada a pasar a través de una copa cilíndrica porosa, cuyos poros son tan pequeños que retienen la materia orgánica.

Lechos de filtración urbanos. Para purificar el suministro de agua de las ciudades, se preparan grandes lechos de filtración de arena y grava, y se permite que el agua los atraviese. Algunas impurezas son retenidas por el filtro, mientras que otras se descomponen por la acción de ciertos tipos de bacterias presentes en la arena. La figura 25 muestra una sección transversal de una parte del filtro utilizado para purificar el suministro de agua de Filadelfia. El agua filtra a través de la arena y la grava y pasa a la tubería porosa A, desde donde se bombea a la red de la ciudad. Los filtros se cubren para evitar que el agua se congele en épocas de frío.

3. Ebullición. Un método más sencillo e igualmente eficiente para purificar el agua destinada al consumo consiste en hervirla. Son los gérmenes presentes en el agua los que la hacen peligrosa para la salud. Estos gérmenes son formas vivas de materia. Si el agua se hierve, los gérmenes mueren y el agua se vuelve segura. Aunque estos gérmenes son destruidos por el calor, el frío tiene poco efecto sobre ellos. Así, Dewar, trabajando con hidrógeno líquido, expuso algunas de estas formas microscópicas de vida a la temperatura del hidrógeno en ebullición (-252 °C) sin matarlas.

Autopurificación del agua. Desde hace mucho se sabe que el agua contaminada con materia orgánica tiende a purificarse cuando se expone al aire. Esto se debe a que el agua absorbe una pequeña cantidad de oxígeno del aire, el cual oxida gradualmente la materia orgánica presente en el agua. Aunque el agua indudablemente se purifica de este modo, no se puede confiar en este método para purificar un agua contaminada hasta hacerla segura para el consumo.

Propiedades físicas. El agua pura es un líquido inodoro e insípido, incoloro en capas delgadas, pero con un tinte azulado cuando se observa a través de un espesor considerable. Se solidifica a 0 °C y hierve a 100 °C bajo la presión normal de una atmósfera. Si se aumenta la presión, el punto de ebullición se eleva. Cuando el agua se enfría, se contrae de manera constante hasta alcanzar la temperatura de 4 °C; a partir de ahí, se expande. El agua es notable por su capacidad para disolver otras sustancias, y es el mejor disolvente conocido. Las soluciones de sólidos en agua se emplean con mayor frecuencia en el trabajo químico que los sólidos mismos, ya que la acción química entre sustancias ocurre más fácilmente cuando están en solución que en estado sólido.

Propiedades químicas. El agua es una sustancia muy estable, es decir, no se descompone fácilmente. Para descomponerla en sus elementos solo por medio del calor se requiere una temperatura muy alta; por ejemplo, a 2500 °C, solo cerca del 5% de la cantidad total se descompone. Aunque es muy estable frente al calor, el agua puede descomponerse de otras maneras, como por la acción de la corriente eléctrica o de ciertos metales.

El calor de formación y el calor de descomposición son iguales. El hecho de que se requiera una temperatura muy alta para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno concuerda con el hecho de que se libera una gran cantidad de calor por la unión de hidrógeno y oxígeno; ya que se ha demostrado que el calor necesario para descomponer un compuesto en sus elementos (calor de descomposición) es igual al calor liberado en la formación de un compuesto a partir de sus elementos (calor de formación).

Agua de cristalización. Cuando un sólido se disuelve en agua y la solución resultante se deja evaporar, el sólido se separa, a menudo en forma de cristales. Se ha descubierto que los cristales de muchos compuestos, aunque perfectamente secos, liberan una cantidad definida de agua al ser calentados, perdiendo al mismo tiempo su forma cristalina. Esta agua se llama agua de cristalización. Su cantidad varía según el compuesto, pero es perfectamente definida para un mismo compuesto. Así, si un cristal perfectamente seco de sulfato de cobre se calienta fuertemente en un tubo, se libera agua que se condensa en las paredes del tubo, y el cristal se desmorona en un polvo ligero. El peso del agua liberada es siempre igual exactamente al 36.07% del peso de los cristales de sulfato de cobre calentados. Por lo tanto, el agua debe estar en combinación química con la sustancia que compone el cristal; pues si estuviera simplemente mezclada o adherida, no solo la sustancia parecería húmeda, sino que la cantidad presente indudablemente variaría. Sin embargo, la combinación debe ser muy débil, ya que el agua suele expulsarse incluso con un calor suave. De hecho, en algunos casos el agua se libera con solo exponer el compuesto al aire. Tales compuestos se denominan eflorescentes. Así, un cristal de sulfato de sodio (sal de Glauber) al exponerse al aire se desmorona en un polvo fino, debido a la pérdida de su agua de cristalización. Otras sustancias tienen la propiedad opuesta: absorben humedad al exponerse al aire. Por ejemplo, si se coloca un poco de cloruro de calcio seco en aire húmedo, en pocas horas habrá absorbido suficiente humedad para disolverse. Estas sustancias se denominan delicuescentes. Un cuerpo delicuescente sirve como buen agente secante o desecante. Ya hemos empleado cloruro de calcio como agente para absorber la humedad del hidrógeno. Muchas sustancias, como el cuarzo, forman cristales que no contienen agua de cristalización.

Agua incluida mecánicamente. El agua de cristalización debe distinguirse cuidadosamente del agua que está incluida mecánicamente en un cristal y que puede eliminarse pulverizando el cristal y secándolo. Así, cuando se calientan cristales de sal común, el agua incluida en el cristal se convierte en vapor y revienta el cristal con un sonido crepitante. Tales cristales se dice que decrepitan. Que esta agua no está combinada se prueba por el hecho de que la cantidad presente varía y que conserva todas las propiedades del agua.

Usos del agua. La importancia del agua en su relación con la vida y el comercio es demasiado conocida para requerir comentarios. También se ha señalado su importancia para el químico. Resta llamar la atención sobre el hecho de que se utiliza como estándar en muchas mediciones físicas. Así, 0 °C y 100 °C en la escala centígrada son respectivamente los puntos de congelación y ebullición del agua bajo presión normal. El peso de 1 cc de agua en su punto de máxima densidad es la unidad de peso en el sistema métrico, es decir, el gramo. También se toma como unidad para la determinación de la densidad de líquidos y sólidos, así como para la medición de cantidades de calor.

DIÓXIDO DE HIDRÓGENO

Composición. Como se ha mostrado, 1 parte en peso de hidrógeno se combina con 7.94 partes en peso de oxígeno para formar agua. Sin embargo, es posible obtener un segundo compuesto de hidrógeno y oxígeno que difiere del agua en su composición, ya que 1 parte en peso de hidrógeno está combinada con 2 x 7.94, o 15.88 partes, de oxígeno. Este compuesto se llama dióxido de hidrógeno o peróxido de hidrógeno, los prefijos di- y per- indican que contiene más oxígeno que el óxido de hidrógeno, que es el nombre químico del agua.

Preparación. El dióxido de hidrógeno no puede prepararse económicamente por la unión directa de hidrógeno y oxígeno, por lo que deben emplearse métodos indirectos. Comúnmente se prepara por la acción de una solución de ácido sulfúrico sobre dióxido de bario. El cambio que ocurre puede indicarse así:

ácido sulfúrico + dióxido de bario = sulfato de bario + dióxido de hidrógeno — — — — hidrógeno bario bario hidrógeno azufre oxígeno azufre oxígeno oxígeno oxígeno

En otras palabras, el bario y el hidrógeno en los dos compuestos intercambian sus lugares. Por este método se obtiene una solución diluida del dióxido en agua. Es posible separar el dióxido del agua por destilación fraccionada. Sin embargo, esto presenta grandes dificultades, ya que el dióxido puro es explosivo. La destilación se realiza bajo presión reducida para disminuir lo más posible los puntos de ebullición; de lo contrario, la alta temperatura descompondría el dióxido.

~Propiedades.~ El dióxido de hidrógeno puro es un líquido incoloro y viscoso que tiene una densidad de 1.49. Su propiedad más característica es la facilidad con la que se descompone en agua y oxígeno. Una parte en peso de hidrógeno es capaz de retener firmemente solo 7.94 partes de oxígeno. Las 7.94 partes adicionales de oxígeno presentes en el dióxido de hidrógeno, por lo tanto, se liberan fácilmente, descomponiéndose el compuesto en agua y oxígeno. Esta descomposición va acompañada de la generación de una cantidad considerable de calor. En solución diluida, el dióxido de hidrógeno es bastante estable, aunque dicha solución debe mantenerse en un lugar oscuro y fresco, ya que tanto el calor como la luz favorecen la descomposición del dióxido.

~Usos.~ Las soluciones de dióxido de hidrógeno se utilizan principalmente como agentes oxidantes. La solución que venden los farmacéuticos contiene un 3% de dióxido y se emplea en medicina como antiséptico. Su uso como antiséptico depende de sus propiedades oxidantes.

EJERCICIOS

1. ¿Por qué el químico utiliza agua destilada para preparar soluciones, en lugar de agua filtrada?

2. ¿Cómo se podría determinar la cantidad total de materia sólida disuelta en una muestra de agua?

3. ¿Cómo se podría determinar si una muestra dada de agua es agua destilada?

4. ¿Cómo se podría detectar la presencia de aire disuelto en el agua?

5. ¿Cómo se podría determinar la cantidad de agua en un alimento como el pan o la papa?

6. ¿El hielo formado a partir de agua impura estaría necesariamente libre de gérmenes patógenos?

7. Supón que la máxima densidad del agua estuviera a 0 °C en lugar de a 4 °C; ¿qué efecto tendría esto en la formación de hielo en cuerpos de agua?

8. ¿Es posible que una sustancia contenga tanto agua mecánicamente encerrada como agua de cristalización?

9. Si el vapor se calienta a 2000 °C y luego se enfría nuevamente, ¿se ha producido algún cambio químico en el vapor?

10. ¿Por qué se hace pasar agua fría en C en lugar de en D (Fig. 24)?

11. Menciona al menos dos ventajas que tiene un condensador de metal sobre uno de vidrio.

12. Dibuja un diagrama del aparato utilizado en tu laboratorio para suministrar agua destilada.

13. Se colocan 20 cc de hidrógeno y 7 cc de oxígeno en un eudiómetro y se hace explotar la mezcla. (a) ¿Cuántos centímetros cúbicos de vapor acuoso se forman? (b) ¿Qué gas y en qué cantidad queda en exceso?

14. (a) ¿Qué peso de agua puede formarse por la combustión de 100 L de hidrógeno, medidos en condiciones normales? (b) ¿Qué volumen de oxígeno se requeriría en (a)? (c) ¿Qué peso de clorato de potasio es necesario para preparar esta cantidad de oxígeno?

15. ¿Qué peso de oxígeno está presente en 1 kg de la solución ordinaria de dióxido de hidrógeno? En la descomposición de este peso de dióxido en agua y oxígeno, ¿qué volumen de oxígeno (medido en condiciones normales) se desprende?