La mayoría de las propiedades físicas y químicas del agua son realmente excepcionales, comparadas con algunas otras sustancias o compuestos químicos en los que está presente el hidrógeno. Observa los datos de la siguiente tabla, los compuestos que se mencionan pueden compararse con el agua por sus propiedades como solventes o porque, contienen elementos como el azufre, que pertenecen al mismo grupo de la tabla periódica que el oxígeno y forman hidruros (como el H₂S).

¿A qué se deben estas diferencias numéricas?

Como puede verse en la tabla, el agua tiene prácticamente los valores más altos para las propiedades que se revisan. Esto se debe a que la molécula del agua está muy polarizada, es decir, que hay una distribución desigual de los electrones en ella. El lado de la molécula donde se encuentra el oxígeno es relativamente rica en electrones, en tanto que del otro lado los núcleos de los hidrógenos están relativamente desnudos y forman una zona de carga parcial positiva como se ilustra en la siguiente figura.

La representación anterior, modelo compacto, no muestra la geometría real de la molécula; sin embargo es importante destacar que la estructura de la molécula de agua está dada por la unión de dos átomos de hidrógeno con un átomo de oxígeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes; que el agua es una molécula polar y en consecuencia, forma enlaces por puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua.

El carácter dipolar de la molécula de agua favorece la interacción entre ellas mismas y con otras moléculas mediante atracciones de naturaleza electrostática. La polaridad que la molécula de agua presenta le permite a una molécula interaccionar hasta con 4 moléculas vecinas, estableciendo interacciones denominadas puentes de hidrógeno.

La estructura molecular del agua (H₂O) puede representarse de dos maneras distintas, una de ellas es el modelo compacto y otra el modelo de esferas y barras, también conocido como modelo orbital.

El modelo orbital (o representación tridimensional), ofrece una descripción más precisa de la estructura tetraédrica (de la forma) de la molécula del agua, la cual es producto de la configuración electrónica de los dos átomos de H  (1s¹) unidos por medio de dos enlaces covalentes a dos de los cuatro orbitales híbridos sp³ del oxígeno. Veamos la siguiente representación:

En esta estructura, dos de los cuatro orbitales híbridos sp³ del oxígeno están ocupados por dos pares de electrones (los electrones no compartidos que vimos en el modelo de Bohr). Cada uno de los otros dos orbitales que están ocupados con sólo un electrón se llena con la adición de un electrón del hidrógeno. Así la molécula de agua es vista como un tetraedro con el átomo de oxígeno en su centro, los dos enlaces con el hidrógeno están dirigidos hacia dos vértices del tetraedro, en tanto que los electrones no compartidos del oxígeno ocupan los dos vértices restantes.

Como consecuencia de este arreglo geométrico y del valor alto de electronegatividad que tiene el átomo de oxígeno, la molécula de agua está fuertemente polarizada, por lo que el oxígeno tiende a atraer con mayor fuerza a los electrones de los dos átomos de hidrógeno, produciendo una carga parcial positiva alrededor del protón, es decir el hidrógeno y dos cargas parciales negativas en el oxígeno.

Ahora veamos la función que cumplen las propiedades del agua en nuestro cuerpo.

Calor de vaporización

La primera propiedad térmica del agua que revisaremos es el calor de vaporización, del cual se dice que es la energía necesaria para que las moléculas de agua en estado líquido, alcancen la temperatura de ebullición, pasen al estado gaseoso. El calor de vaporización es una medida de la cantidad de energía que se requiere para romper las fuerzas de atracción que existen entre las moléculas de agua. Las calorías absorbidas por gramo vaporizado es de 540. La sudoración ayuda a mantener la temperatura del organismo más baja que la del ambiente, lo cual evita el calentamiento del cuerpo por encima de los 41°C, siendo ésta la temperatura máxima que puede tener el organismo. Si esta temperatura se excede (calor en exceso), se produce un ataque al sistema nervioso central, ocasionando lo que conocemos como insolación.

La fuerza para romper un puente de hidrógeno es muy pequeña comparada con la de un enlace covalente (100 Kcal/mol), pero los puentes de hidrógeno presentan el fenómeno de cooperatividad y la fuerza para romper varios puentes se potencia, siendo necesaria más energía que la suma algebraica de cada puente de hidrógeno, es decir, para romper las cuatro interacciones que forma una molécula de agua es necesario aplicar aproximadamente 25 kcal en vez de 8-20 kcal que sería la suma necesaria para romper los cuatro enlaces. Así el paso de agua sólida a líquida y de líquida a vapor, necesita de la aplicación de una gran cantidad de energía.

Capacidad calórica

Ahora hablaremos de la otra propiedad térmica del agua, su capacidad calorífica, la que se define como la cantidad de calor necesaria para que 1g de agua incremente su temperatura en 1°C, esto significa que entre mayor sea el calor específico de una sustancia, más calor se necesita para producir un incremento de temperatura y en consecuencia, menos cambios de temperatura experimenta esta sustancia.

Los elevados valores de calor de vaporización y capacidad calórica del agua permiten que el calor liberado en los procesos metabólicos o en reacciones bioquímicas exotérmicas, como ocurre al realizar ejercicio intenso, sea fácilmente absorbido y eliminado con pequeñas variaciones de la temperatura corporal. Lo mismo ocurre durante un proceso febril que obliga al organismo a sudar para eliminar calor. ¿Sabías que para disminuir la temperatura de tu cuerpo en un 1°C, necesitas evaporar menos de 2g de agua por cada kilogramo de peso corporal?. Por tal motivo, el agua conserva constante la temperatura de los organismos vivos, aunque haya variaciones grandes de energía dentro o fuera de los mismos. Alguna vez te has preguntado:

Calor de fusión

El calor de fusión es la energía necesaria para que un gramo de una sustancia en estado sólido cambie a estado líquido, sin cambiar su temperatura. Esta misma cantidad de energía es la que se libera cuando la sustancia pasa del estado líquido al sólido.

Durante el proceso de congelación, para que un gramo de agua a 0° se solidifique debe perder 80 cal/g. Este es uno de los factores que disminuyen la amenaza de congelación o hipotermia en climas muy fríos.

Densidad

Cuando se ejerce cierta presión entre las moléculas de agua en estado sólido, como el hielo, algunos enlaces por puente de hidrógeno se rompen y, como resultado, algunas moléculas de agua en estado líquido entran en los espacios vacíos y la estructura cristalina se rompe y la muestra de agua pasa al estado líquido siendo estos espacios vacíos dentro del hielo los que dan al estado sólido una menor densidad que al estado líquido.

La agrupación de las moléculas de agua a 0°C se hace más ordenada y alcanza una estructura menos densa, de tal forma que el hielo flota en la superficie sobre el agua líquida. Esta propiedad del agua, de expandirse al solidificarse, permite la vida en la fase líquida del fondo de los mares, ríos y lagos de zonas frías y el descongelamiento del hielo que flota en la superficie, debido a la energía solar o el calor del medio ambiente, hace que éste pueda difundirse con mayor facilidad. Si el sólido fuera más denso que el líquido, como sucede en cualquier otra sustancia, la superficie de un lago se congelaría y hundiría repetidamente hasta que el lago completo fuera sólido y la vida acuática no sobreviviría año con año.

Constante dieléctrica

El agua reduce las fuerzas de atracción entre partículas de carga opuesta o reduce la fuerza de repulsión entre partículas de cargas semejantes. La cuantificación de esta capacidad se ha definido como la constante dieléctrica. Esta constante es mayor de 1 si el medio reduce la fuerza entre las dos cargas y por lo tanto el valor de la constante aumenta si la interacción entre las cargas disminuye.

El agua es uno de los solventes más polares que existen, esto se debe a la presencia de un átomo muy electronegativo, al oxígeno y, a dos hidrógenos en la molécula muy poco electronegativos. La consecuencia de lo anterior, es que moléculas o partículas cargadas eléctricamente son fácilmente disociadas en presencia de agua. La ionización sucede porque las fuerzas entre las cargas opuestas se debilitan y, por tanto, se rompen fácilmente. Por ejemplo: el valor del enlace iónico del NaCl es de 118 Kcal/mol, al disolver esta sal en agua, el valor del enlace disminuye a 1.4. Una vez separados los iones, el agua como dipolo se orienta de acuerdo a la carga para formar una capa de solvatación alrededor de cada ion.

Como puedes ver en la figura anterior, la presencia de agua reduce la atracción entre las cargas opuestas y favorece la formación de iones hidratados, los cuales pueden volver a formar sal común (NaCl) si es que se evaporara el agua totalmente.

Autoevaluación

Es momento de movilizar los aprendizajes que adquirimos, por lo que te invitamos a llenar el siguiente texto arrastrando los conceptos que se proporcionan a continuación.