El agua ionizada interviene en reacciones químicas muy diferentes según el proceso que la origine. En la electrólisis, un campo eléctrico separa las especies iónicas disueltas y produce corrientes de agua alcalina y agua ácida; en la autoionización, dos moléculas de agua reaccionan reversiblemente para formar iones hidronio e hidróxido; y en la radiolisis, la radiación de alta energía arranca un electrón de una molécula de agua y desencadena una rápida transferencia de protones que produce radicales muy reactivos.
La reacción fundamental de la autoionización del agua puede expresarse como \(2H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+OH^-(aq)\), o de forma simplificada como \(H_2O(l)\rightleftharpoons H^+(aq)+OH^-(aq)\). En cambio, bajo radiación ionizante se inicia una secuencia distinta: \(H_2O\rightarrow H_2O^+\), seguida de una transferencia de protones que genera un radical hidroxilo y un ion hidronio.
Qué significa que el agua esté ionizada
El agua ionizada se consigue tras someter a este líquido por un proceso de electrólisis. Este proceso utiliza la electricidad para crear un balance entre los iones positivos y negativos, separando las moléculas de agua en iones alcalinos e iones ácidos.
En la electrólisis del agua, las sales minerales disueltas en el agua se dividen en iones metálicos con carga positiva (calcio, magnesio, potasio, sodio) y en iones no metálicos con carga negativa y residuos ácidos (cloro, azufre, fósforo, etc.). Los iones metálicos positivos son atraídos por el cátodo (electrodo claro) y los iones metálicos negativos son atraídos por el ánodo (electrodo oscuro).
Por lo tanto, en una parte del recipiente ionizador, los iones metálicos alcalinos de calcio, magnesio, potasio, sodio e iones hidroxilo OH- se acumulan en el agua en el cátodo (agua alcalina ionizada), mientras que en la otra parte del recipiente, separada por una membrana, los iones metálicos negativos de cloro, azufre, fósforo e iones de hidrógeno H+ se acumulan en el ánodo (agua ácida ionizada).
Así, en diferentes recipientes del ionizador obtenemos agua alcalina ionizada y agua ácida ionizada. Tanto el agua alcalina ionizada como el agua ácida ionizada adquieren y mantienen durante cierto tiempo propiedades completamente diferentes a las del agua normal del grifo.
Electrólisis: separación de especies iónicas y formación de dos corrientes
El ionizador de agua se tiene que conectar, tanto al grifo como a la electricidad. Primeramente el agua entra en el ionizador, pasando por un filtro común, que retiene los sedimentos, bacterias, cloro, óxido y también se encarga de eliminar el olor.
Cuando el líquido está filtrado, pasa por una cámara que cuenta con unas placas de titanio y platino, los cuáles se llaman electrodos. Todo esto puede ser positivo o negativo, encargándose ionizar los minerales disueltos, cargando eléctricamente los átomos que los componen.
De la misma manera que si fuera un imán, los minerales que están cargados negativamente son atraídos al electrodo positivo, pues dan lugar al agua oxidada o ácida. Por otra parte, los que tienen valor positivo van al electrodo negativo, lo que hace que se forme el agua alcalina o hidrogenada.
La electrólisis no debe confundirse con la autoionización. La primera utiliza una fuente externa de electricidad para separar y desplazar especies cargadas, mientras que la segunda es una reacción reversible que ocurre espontáneamente, aunque en una proporción muy pequeña, entre moléculas de agua.
Autoionización del agua: formación de hidronio e hidróxido
Pero ¿sabías que aunque bebas agua "pura", en realidad no obtienes sólo moléculas de H2O? En realidad también obtienes trazas de iones hidronio (H3O+) e hidróxido (OH-).
La autoionización del agua es la reacción entre dos moléculas de agua para producir un ion hidróxido (OH-) y un ion hidronio (H3O+). La capacidad del agua de reaccionar consigo misma y formar dos iones se conoce como autoionización.
El agua es anfótera, lo que significa que puede actuar como ácido de Bronstead-Lowry ( donante de protones) y como base de Bronstead-Lowry ( aceptor de protones). Las moléculas de agua pueden actuar como ácidos disociándose en iones hidróxido (OH-) e iones hidrógeno (H+).
Las moléculas de agua también pueden actuar como bases combinándose con iones de hidrógeno para formar iones de hidronio (H3O+). Ambas reacciones son reversibles: el ion hidronio y el ion hidróxido pueden recombinarse para volver a formar agua.
Ecuación global de la autoionización
En primer lugar, una molécula de agua se divide en H+ y OH-. A continuación, una segunda molécula de agua reacciona con el H+ producido para formar H3O+:
$$H_2O(l)\rightleftharpoons H^+(aq)+OH^-(aq)$$
$$H_2O(l)+H^+(aq)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)$$
Si combinamos los dos pasos, obtenemos una ecuación global para la autoionización del agua:
$$2H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+OH^-(aq)$$
H3O+ y OH- se producen en igual proporción. Por tanto, en una solución de agua pura, [H3O+ ] y [OH-] son iguales. La reacción es reversible. Esto significa que acaba formando un estado de equilibrio dinámico.
El ion hidronio acuoso, H3O+(aq), en realidad no es más que un protón hidratado. En su lugar, podemos representarlo mediante un ion hidrógeno acuoso, H+(aq). Esto nos permite simplificar la ecuación de la autoionización del agua:
$$H_2O(l)\rightleftharpoons H^+(aq)+OH^-(aq)$$
El H3O+(aq) se suele sustituir por H+(aq) en la mayor parte de la química ácido-base.
Constante de autoionización y relación con el pH
La constante de equilibrio para la autoionización del agua se calcula utilizando la concentración, por lo que se basa en Kc. Esta constante es lo suficientemente importante como para tener su propio nombre: Kw. Kw también se conoce como constante ion-producto del agua.
Kw se expresa mediante:
$$K_w=[H^+]_{eqm}[OH^-]_{eqm}$$
A menudo ignoramos el subíndice eqm en la expresión Kw. Por tanto, verás comúnmente \(K_w=[H^+][OH^-]\).
En las expresiones de las constantes de equilibrio no incluimos la concentración de ningún líquido o sólido puro. Por tanto, ignoramos [H2O] en la expresión Kw, lo que nos deja con la forma familiar mostrada anteriormente: $$K_w=[H^+]_{eqm}[OH^-]_{eqm}$$.
Kw nos informa sobre la posición de la reacción de equilibrio. Por tanto, nos informa sobre el grado de autoionización del agua. El valor de Kw es fijo a una temperatura determinada.
Sin embargo, si cambias la temperatura, cambia el valor de Kw. En cambio, el Kw no se ve afectado por factores como la concentración y la presión. Por ejemplo, a 25 °C (298 K), Kw siempre es igual a 1,0 × 10-14.
Se trata de un valor pequeño, por lo que nos indica que la posición de la reacción de equilibrio se encuentra muy a la izquierda: la inmensa mayoría de las moléculas de agua no se ionizan.
| Condición | Relación entre iones | Comportamiento a 25 °C |
|---|---|---|
| Agua o solución neutra | [H+] = [OH-] | pH 7,0 |
| Solución ácida | [H+] > [OH-] | pH inferior a 7,0 |
| Solución básica | [H+] < [OH-] | pH superior a 7,0 |
La concentración de iones hidrógeno en el agua pura a 25ºC es de 1,0 × 10-7 M. Podemos utilizar esta información para calcular su pH:
$$pH=-\log_{10}[H^+]$$
$$pH=-\log_{10}(1.0\times 10^{-7})$$
$$pH=7,0$$
Del mismo modo, podemos calcular la concentración de iones hidróxido, utilizando el hecho de que Kw es igual a 1,0 × 10-14 a esta temperatura. En el agua pura, la concentración de iones de hidrógeno es igual a la concentración de iones de hidróxido.
Una sustancia neutra contiene concentraciones iguales de iones hidrógeno y de iones hidróxido. Por tanto, [H+] = [OH-]. A 25 °C, las sustancias neutras (ya sea agua u otra solución acuosa) tienen un pH de 7,0 exactamente.
Pero a medida que cambia la temperatura, cambia el valor de Kw, y el pH de las sustancias neutras también. Una cosa permanece constante: independientemente de la temperatura, las sustancias neutras siempre tienen la misma concentración de iones de hidrógeno que de iones de hidróxido.
Cómo cambia el pH durante la ionización
Mientras que el agua potable normal tiene un pH neutro de 7 dentro de la escala de pH, el agua ionizada presenta un pH mucho mayor. Por lo general, este agua tiene un pH que varía entre el 9 o el 10, siendo el más común el primero de ellos.
Se trata, por tanto, de un tipo de agua con pH alcalino, perfecto para disminuir y contrarrestar la acidez del agua con pH ácido o de alimentos con un pH inferior a 7. El agua ionizada ácida presenta la relación contraria: al aumentar la concentración relativa de H+, su pH desciende.
En condiciones normales -como en un vaso de agua- la autodisociación del agua se ve obstaculizada por ambos factores, lo que la convierte en un acontecimiento altamente improbable. Sin embargo, cuando se aplican campos eléctricos intensos, el proceso puede acelerarse drásticamente.
Mediante simulaciones avanzadas de dinámica molecular, Litman y Angelos Michaelides, coautor del estudio, demuestran que los campos intensos potencian drásticamente la disociación del agua, no porque hagan que la reacción sea más favorable desde el punto de vista energético, sino porque la hacen más favorable desde el punto de vista entrópico.
El campo eléctrico ordena inicialmente las moléculas de agua en una red muy estructurada. Cuando se forman iones, alteran este orden, aumentando la entropía -o desorden- del sistema, lo que en última instancia impulsa la reacción.
“Es una inversión completa de lo que ocurre con campo cero”, explica Litman. “En lugar de que la entropía se resista a la reacción, ahora la promueve”.
El estudio también demuestra que, bajo fuertes campos eléctricos, el pH del agua puede descender de niveles neutros (7) a niveles altamente ácidos (tan bajos como 3), con implicaciones para la forma en que entendemos y diseñamos los sistemas electroquímicos.
Influencia de la temperatura en la autoionización
El valor de Kw se fija a una temperatura determinada. A 25 °C, Kw es igual a 1,0 × 10-14. Por tanto, en todas las soluciones acuosas, \([H^+][OH^-]=1,0\times 10^{-14}\).
A 75 °C, el agua pura tiene una constante ion-producto de 2,0 × 10-13. En primer lugar, hallamos [H+] utilizando la constante de producto iónico, que es simplemente otro nombre para Kw.
Sin embargo, sabemos que estamos trabajando con agua pura, que contiene concentraciones iguales de iones hidrógeno y de iones hidróxido. Por tanto, en este caso, [H+] = [OH-]:
$$K_w=[H^+][H^+]=[H^+]^2$$
$$2,0\times 10^{-13}=[H^+]^2$$
$$[H^+]=\sqrt{2.0\times 10^{-13}}$$
$$[H^+]=4,472\times 10^{-7}M$$
Ahora, calcula el pH:
$$pH=-\log_{10}(4.472\times 10^{-7})$$
$$pH=6,349$$
Redondeando a un decimal, el pH del agua pura a esta temperatura es igual a 6,3. ¿Notas cómo a mayor temperatura, tanto Kw como [H+] son mayores?
Esto puede explicarse aplicando el principio de Le Chatelier a la autoionización del agua, observando en particular el cambio de entalpía de la reacción. Vemos que la reacción de avance es endotérmica.
El principio de Le Chatelier nos dice que el aumento de la temperatura desplaza la posición del equilibrio hacia la derecha, contrarrestando la perturbación del sistema. Esto aumenta la concentración de iones H+ y OH-. Por tanto, aumenta el Kw.
Reacciones ácido-base relacionadas con el agua ionizada
En las soluciones acuosas, los iones H+ y OH- determinan la acidez o la basicidad. Si [H+] > [OH-], la solución es ácida. A 25 °C, tiene un pH inferior a 7,0.
Si [H+] < [OH-], la solución es básica. A 25 °C, tiene un pH superior a 7,0. La relación entre ambos tipos de iones se mantiene mediante \(K_w=[H^+][OH^-]\).
Puedes calcular el pH de otra forma utilizando la relación entre pKw, pH y pOH. Empieza con la expresión para Kw, toma los logaritmos negativos de ambos lados y expándelo utilizando las leyes de los logaritmos:
$$pK_w=pH+pOH$$
Por ejemplo, una solución acuosa que contiene 5,6 × 10-4 M de iones OH- tiene:
$$1,0\times 10^{-14}=[H^+]\times(5,6\times 10^{-4})$$
$$[H^+]=1.7857\times 10^{-11}$$
$$pH=-\log_{10}(1.7857\times 10^{-11})$$
$$pH=10,748$$
El pH se da como estándar con un decimal. Por tanto, nuestra respuesta final para la parte a es 10,7. Como 10,7 > 7,0, la solución es básica.
En otro caso, si el pH de una disolución acuosa es 3,5, primero se calcula la concentración de iones hidrógeno:
$$[H^+]=10^{-pH}$$
$$[H^+]=10^{-3.5}=6,162\times 10^{-4}M$$
Después, se utiliza Kw para hallar [OH-]:
$$1,0\times 10^{-14}=(6,162\times 10^{-4})\times[OH^-]$$
$$[OH^-]=3,162\times 10^{-11}M$$
Redondeando a tres cifras significativas, obtenemos que [OH-] = 3,16 × 10-11 M.
Ionización por radiación y radiolisis del agua
Cuando una molécula de agua (H2O) es bombardeada por partículas cargadas (iones), o por fotones de suficiente energía, pierde uno de sus electrones, formando una especie con carga positiva: el ion H2O+. Este es el proceso que se conoce como ionización.
La ionización de la molécula de agua ocurre habitualmente en diversos entornos. Por ejemplo, los cometas están constituidos mayoritariamente por agua, y la radiación o las partículas del viento solar pueden arrancar un electrón de dichas moléculas.
La radiación produce daño en tejidos biológicos mediante múltiples reacciones. Es particularmente significativa la secuencia que comienza por la ionización del agua, que es el compuesto más abundante del citoplasma celular.
Los electrones e iones producidos en la ionización conducen, en una segunda etapa, a la ruptura de otras biomoléculas como los ácidos nucleicos. Esta secuencia de procesos tiene lugar en la terapia del cáncer, donde se busca matar de forma selectiva las células tumorales irradiando el tumor con rayos X o con haces de iones.
Transferencia ultrarrápida de protones
El estudio investigó la radiolisis del agua, como los científicos llaman a la división de un compuesto químico - en este caso el agua - por radiación.
En la radiolisis del agua, la radiación de alta energía primero saca un electrón de una molécula de agua (H2O), ionizándolo así a H2O+. A continuación se produce la llamada transferencia de protones, en la que la molécula de agua ionizada libera un núcleo de hidrógeno (protón) a una molécula adyacente.
Esto produce un radical hidroxilo (OH) extremadamente reactivo, que puede causar daños en el organismo, y un ion hidronio (H3O+). El radical hidroxilo es en sí mismo de considerable importancia, ya que puede difundirse a través de un organismo, incluyendo nuestros cuerpos, y dañar virtualmente cualquier macromolécula incluyendo ADN, ARN y proteínas.
Utilizando flashes de rayos X extremadamente cortos, un equipo internacional de investigadores ha observado por primera vez detalles de la reacción química ultrarrápida que lleva a la formación de radicales agresivos cuando se irradia agua.
Los rayos X capturan la reacción ultrarrápida de transferencia de protones en agua líquida ionizada, formando un radical hidroxilo y un ión hidronio.
Para la investigación, los científicos ionizaron el agua por láser y luego tomaron instantáneas extremadamente cortas de los procesos desencadenados por la ionización, utilizando el láser de rayos X LCLS del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California.
El láser de rayos X permite tiempos de exposición ultracortos de sólo unos 30 femtosegundos (millonésimas de una billonésima de segundo). El análisis detallado de los datos de medición confirma el modelado teórico de la transferencia de protones.
En sólo 50 cuatrillonésimas de segundo, las moléculas de agua circundantes se mueven literalmente sobre el H2O+ ionizado hasta que una de ellas se acerca lo suficiente para agarrar uno de sus protones en una especie de apretón de manos, convirtiéndose en el hidronio H3O+ y dejando atrás el radical hidroxilo OH.
De acuerdo con las observaciones, esta transferencia de protones se produce típicamente en sólo 46 cuatrillonésimas de segundo. La reacción química más rápida en el agua ionizada ocurre en la escala de tiempo de 50 femtosegundos.
Fragmentación del ion H2O+
Los electrones en una molécula se distribuyen en niveles con diferentes energías. Si se arranca un electrón del nivel energético más alto de la molécula de agua, el ion H2O+ que se forma es estable.
En cambio, si se comunica una energía algo mayor, se extrae un electrón de un nivel más profundo. En este caso el ion resultante se rompe produciendo fragmentos, entre los que se encuentran radicales como el OH, átomos de hidrógeno y sus iones positivos.
Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha estudiado el movimiento de los núcleos de hidrógeno y oxígeno del ion H2O+, mediante la resolución numérica de la ecuación que gobierna este movimiento (la ecuación de Schrödinger).
“Este trabajo computacional proporciona una película que muestra la evolución de los núcleos hasta que estos se separan y se rompe el ion”, explica Luis Méndez, del departamento de Química de la UAM y coautor del trabajo.
El proceso de fragmentación implica inicialmente una reorganización ultrarrápida de los electrones que tiene lugar en unos pocos femtosegundos (milbillonésimas partes de segundo) a través de una intersección cónica.
Como consecuencia de esta reorganización, el ángulo de equilibrio H-O-H pasa a ser de 180°, situándose los tres núcleos sobre una línea recta, y se observa un movimiento de apertura y cierre de este ángulo (llamado flexión) en torno a la geometría lineal.
Simultáneamente, los núcleos de oxígeno e hidrógeno se separan. Los resultados numéricos muestran que el ion se rompe casi totalmente (más del 90%) y la fragmentación se completa en aproximadamente 10000 femtosegundos.
| Proceso de fragmentación | Proporción obtenida |
|---|---|
| OH+ + H | 70% |
| H+ + OH | 22% |
Un resultado especialmente importante del estudio son los porcentajes de fragmentos obtenidos de la simulación numérica, que coinciden con los experimentales: un 70% de los iones H2O+ se disocian en OH+ + H, mientras que un 22% se fragmenta en H+ + OH.
Las proporciones de OH+ + H y H+ + OH vienen determinadas por la interacción entre los movimientos de los electrones y el movimiento de flexión de los núcleos que se denomina efecto Renner-Teller.
Propiedades químicas del agua ácida ionizada
El agua ionizada ácida tiene propiedades antimicrobianas y es utilizada en la desinfección de superficies y alimentos. Este tipo de agua, si tiene un pH ácido, es eficaz contra un gran número de bacterias y virus, no es tóxica y reduce costes al disminuir la necesidad de usar otros productos de limpieza más caros.
Su comportamiento se relaciona con el pH ácido y con las especies que se concentran en la cámara anódica. Los iones de hidrógeno H+ aumentan la acidez, mientras que determinadas especies oxidadas contribuyen a la capacidad reactiva de esta corriente.
La limpieza con agua ionizada es una buena idea para la desinfección ecológica en casa. Este tipo de agua sirve tanto para su consumo por el ser humano como para su uso como producto de limpieza.
Propiedades químicas del agua alcalina ionizada
El agua alcalina ionizada se forma en la zona del cátodo, donde se acumulan iones metálicos alcalinos de calcio, magnesio, potasio y sodio, además de iones hidroxilo OH-.
Con un pH alcalino es apta para el consumo humano, con lo que nuestro organismo puede beneficiarse de sus múltiples propiedades. Siempre que sea con moderación, el agua con altos niveles de alcalinidad puede ser consumida sin ningún tipo de problema.
A pesar de que sus nombres se parecen, nunca se debe confundir el agua ionizada alcalina con el agua alcalina. La principal diferencia entre ambos tipos de agua radica en que el agua alcalina no pasa por ningún tipo de proceso para agregar más minerales a su composición, ya que se puede conseguir simplemente filtrando agua del grifo con una jarra alcalinizadora.
Agua alcalina: Se puede obtener simplemente filtrando agua del grifo con una jarra alcalinizadora, sin necesidad de procesos complejos. Si el pH del agua es mayor a 8.5, se considera alcalina y es apta para consumo humano y preparación de alimentos.
Agua ionizada: Requiere de equipos más complejos que involucran corriente eléctrica para separar los iones. Este proceso no solo altera el pH sino que también separa el agua en componentes alcalinos y ácidos.
Limitaciones y precauciones
Hemos visto cómo podemos utilizar la autoionización del agua y el Kw para hallar el pH de una solución acuosa. En estos problemas, ignoramos los iones H+ y OH- de la propia ionización del agua, y suponemos que todos proceden del otro ácido o base implicados.
Esto no suele ser un problema. Recuerda que el Kw es muy bajo, lo que significa que sólo una pequeña proporción de moléculas de agua se ionizan en equilibrio. Los iones procedentes de la autoionización del agua tienen muy poco efecto sobre el pH de la solución.
Sin embargo, la autoionización del agua se convierte en un problema si se trabaja con ácidos o bases extremadamente diluidos, como los que tienen valores de [H+] u [OH-] inferiores a dos órdenes de magnitud alejados de 1,0 × 10-7.
Como estos ácidos y bases también tienen valores tan bajos de [H+] u [OH-], los iones H+ y OH- del agua adquieren mucha más importancia, y no puedes ignorar su efecto sobre el pH.
Al igual que ocurre con el agua alcalina, es preciso beber agua ionizada alcalina con precaución y moderación. Debido a su alto pH, un alto consumo de este tipo de agua puede producir algunos efectos secundarios que debemos evitar.
Si el agua ionizada tiene un pH superior a 10 es muy importante no consumirla en ningún caso, ya que puede originar problemas graves en la piel y en el aparato digestivo.
Por último, un consumo excesivo de agua ionizada alcalina puede provocar náuseas, temblores, espasmos musculares e incluso vómitos. Es importante mencionar que el agua ionizada no está indicada para todas las personas. Es recomendable consultar con un médico antes de consumirla y hacerlo con moderación.
Formas de obtener agua ionizada
Para ionizar el agua es necesario someterla a un proceso de electrólisis, magnetización u otros procesos químicos. Aunque el proceso de ionización generalmente requiere equipos específicos, existen métodos caseros para conseguir agua ionizada.
- Añadiendo bicarbonato de sodio: Añadir media cucharadita de bicarbonato de sodio a un vaso de agua fría o caliente puede aumentar su pH.
- Hirviendo el agua: Hervir el agua es una forma sencilla de ionizarla. Se recomienda guardar el agua hervida en una jarra metálica o de vidrio para su consumo.
- Gotas de pH: Existen marcas que venden concentrados de minerales alcalinos. Añadir varias gotas de estos concentrados puede aumentar considerablemente el pH del agua.
- Filtro ionizador: Se pueden comprar jarras con filtros ionizadores en tiendas de hogar y plataformas online, lo que facilita el acceso a agua ionizada en casa.
Para disfrutar de este tipo de agua para su consumo, no tendrás problemas en encontrar máquinas para hacer agua alcalina ionizada. Por el contrario, si lo que deseas es utilizar el agua ionizada con un pH ácido para la desinfección de superficies, tendrás que buscar algo más a fondo para adquirir un dispositivo ionizador.
La tecnología de ionización del agua fue desarrollada en Japón y ha sido utilizada ampliamente en ese país durante décadas, tanto en hogares como en hospitales.
Electrólisis del Oro, Plata y Cobre - Nivel 3. Lección 6.2
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