Agua, agua por todas partes

La tierra tiene mucha agua. El agua del océano cubre aproximadamente el 71% de la superficie de la Tierra y constituye la friolera de 97% de toda el agua del planeta. Sin embargo, los océanos son salados y de uso limitado fuera de los biomas oceánicos. El agua dulce, que es requerida por los organismos terrestres (y aquellos que viven en lagos, ríos y arroyos) es una historia diferente, ya que solo constituye alrededor del 3% de toda el agua en la Tierra. De ese 3%, la mayor parte está congelada en hielo y glaciares y no está fácilmente disponible.

Somos afortunados de tener tanta agua líquida. La Tierra está en una zona planetaria Ricitos de Oro, a la distancia justa del sol. La temperatura no es tan alta que hierva el agua, ni tan baja que la congele todo, pero sí la adecuada para mantenerla mayormente en estado líquido.

Por supuesto, todos los seres vivos necesitan agua. Las plantas necesitan agua para crear presión de turgencia en sus células para mantenerlas erguidas. El agua también es un reactivo crítico en la fotosíntesis, donde se oxida y se descompone para crear el oxígeno gaseoso liberado para que los animales respiremos. Dada su importancia no solo para los sistemas vivos sino para muchas actividades humanas, el agua es una de las sustancias más estudiadas y mejor comprendidas.

La estructura del agua

La fórmula química del agua es H2O, pero no se deje engañar por su aparente simplicidad. Hay algo en la forma en que se combinan estos tres átomos que le dan al agua propiedades especiales.

Una molécula de agua está doblada, con los dos átomos de hidrógeno separados por un ángulo de enlace de 104,5° (Figura 1a). ¿Por qué una molécula de agua no es lineal como el dióxido de carbono y consta de tres átomos (Figura 1b)? Tiene que ver con los electrones, las partículas subatómicas cargadas negativamente que orbitan alrededor de los núcleos cargados positivamente de todos los átomos. Es energéticamente favorable cuando los átomos están rodeados por dos u ocho electrones (regla del octeto). Encontramos hidrógeno naturalmente en el estado diatómico (H2). Dado que un átomo de hidrógeno consta de un protón y un electrón, dos se juntan para compartir sus electrones, haciéndolos «sentir» que tienen dos electrones entre ellos (perdón por la antropomorfización). Encontramos oxígeno (O2) y cloro (Cl2) en estado diatómico por razones similares, aunque les gusta el número ocho en lugar del dos. En el agua, el número de electrones alrededor del átomo de oxígeno es ocho, compartiendo un electrón de oxígeno con cada uno de los átomos de hidrógeno (eso es dos pares, cuatro electrones). Los otros cuatro electrones de oxígeno están dispuestos en pares en el otro lado del átomo de oxígeno. Los pares de electrones cargados negativamente se repelen y empujan entre sí tanto como lo permitan los átomos de hidrógeno y sus enlaces electrónicos. Esto hace que los hidrógenos se acerquen más, creando el ángulo de enlace de 104,5° mencionado anteriormente.

polaridad

Estos dos pares de electrones unidos a un lado de una molécula de agua crean una región que tiene una carga más negativa que el lado de la molécula donde se encuentran los átomos de hidrógeno. Debido a que los electrones de enlace que mantienen los hidrógenos unidos al oxígeno tienden a estar entre los átomos de oxígeno e hidrógeno, los protones cargados positivamente de los núcleos de hidrógeno están algo expuestos en el otro lado, haciendo que esa parte de la molécula sea ligeramente positiva. Una molécula de agua es eléctricamente neutra, pero la carga no está uniformemente distribuida. Por eso decimos que el agua está «polarizada». Y qué efecto tiene esta polaridad.

El lado cargado negativamente de una molécula de agua es atraído por el lado cargado positivamente de otra a través de un fenómeno llamado enlace de hidrógeno. Esto crea una especie de estructura microscópica. Sin embargo, está en constante cambio, ya que las moléculas de agua se unen débilmente entre sí, solo para separarse y formar enlaces con otras moléculas a medida que giran y vibran juntas. Esta pegajosidad se puede observar directamente como tensión superficial, una especie de «piel» en la superficie de una masa de agua. También se puede ver en la acción capilar, la tendencia de las moléculas de agua a arrastrarse juntas una corta distancia hacia arriba de una superficie de vidrio o hacia una pequeña grieta en una partícula de suelo. Esta pegajosidad ayuda a mantener el flujo de transpiración en el tejido del xilema de una planta; Cuando el agua fluye hacia los estomas, las moléculas de arriba crean una atracción electrostática sobre las de abajo.

La polaridad del agua también contribuye a su punto de ebullición relativamente alto. El agua también es un líquido en un amplio rango de temperatura y no se evapora tan rápidamente como las sustancias menos polares (por ejemplo, los alcoholes) o los compuestos no polares como la gasolina.

El solvente universal

El agua puede disolver más sustancias que cualquier otro líquido, por lo que a veces se le llama el solvente universal. Es particularmente bueno para disolver otros compuestos polares, que es una fuente del viejo adagio de la química como se disuelve como. Tampoco disuelve sustancias no polares como grasas y aceites.

Las propiedades coligativas del agua.

Las propiedades coligativas dependen de la cantidad de una sustancia en un sistema. Disolver algo en agua crea una solución, y las propiedades de la solución dependen de qué y cuánto se disuelva en ella. Cuando una sustancia, como la sal, se disuelve en agua, baja el punto de congelación de la solución. Es por eso que se arroja sal a las calles antes de una tormenta de invierno para que no se congelen tan rápido como lo harían de otra manera. Yendo al revés (aunque la temperatura no tiene dirección), los puntos de ebullición son elevados, lo que significa que el agua salada hierve a una temperatura ligeramente más alta que el agua pura. Es bueno saber cuándo cocinar pasta.

comportamiento ácido-base

De acuerdo con la definición más simple (la definición de Arrhenius), un ácido es una sustancia que, cuando se disuelve en agua, produce iones H+ y una base produce iones OH-. Entonces, para neutralizar un ácido (H+), agrega una base (OH-). ¿Qué obtienes cuando combinas H+ y OH-? Por qué H2O, por supuesto, razón por la cual el agua es siempre un producto en cualquier reacción de neutralización.

No lo des por sentado

Este pequeño grupo de tres átomos es especial. Debido a la polaridad que resulta de la unión de dos átomos de hidrógeno a un átomo de oxígeno, el agua se comporta como ningún otro compuesto conocido. Hasta que comencemos a recolectar hielo o a extraerlo del sistema solar, el agua que tenemos es la que tenemos, así que es mejor que la cuidemos.