El Agua: Propiedades, Estructura Molecular y Funciones Biológicas

El agua es una molécula simple de baja masa molecular con un anómalo comportamiento fisicoquímico derivado de su estructura molecular, lo que la convierte en una sustancia diferente de los demás líquidos. La vida se explica a base de este comportamiento, ya que es mayoritaria en los seres vivos; entre el 65% y el 95% del peso de los seres vivos es agua. En el caso del ser humano, el 63% de su peso es agua.

Estructura de la Molécula de Agua

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno unidos por medio de dos enlaces covalentes con un carácter mixto: 2/3 covalente y 1/3 iónico. Cuando el oxígeno se une a los dos átomos de hidrógeno, los orbitales de la segunda capa del oxígeno, con seis electrones, hibridan entre sí para dar lugar a cuatro orbitales híbridos sp³. Esto da lugar a una disposición tetraédrica de los orbitales sp³ del oxígeno, determinando un ángulo entre los enlaces H-O-H de 104.5º. El resultado es que, aunque la molécula de agua tiene carga total neutra (mismo número de protones y electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula dipolar. Alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan una densidad de carga positiva.

Puentes de Hidrógeno

Se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formando puentes de hidrógeno. La carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.

• Estado líquido (0º - 100º C): Las moléculas de agua se deslizan entre sí, lo que explica la naturaleza líquida del agua a pesar de su baja masa molecular.
• Estado sólido (bajo 0º C - hielo): Los puentes de hidrógeno son fijos y cada molécula ocupa una posición fija en una red cristalina, maximizando el espacio y, por lo tanto, aumentando el volumen.
• Estado gaseoso (sobre 100º C): La alta energía cinética de las moléculas de agua impide la formación de puentes de hidrógeno y las moléculas están en constante movimiento.

Propiedades y Funciones

1. Estado líquido en un amplio margen de temperatura (0-100º C): A pesar de su baja masa molecular, el agua no es un gas a temperatura ambiente. Función biológica: Permite la vida en multitud de ambientes y temperaturas distintas; actúa como lubricante.
2. Elevado calor específico y conductividad calorífica: Relacionado con los puentes de hidrógeno, el agua absorbe grandes cantidades de calor, que utiliza para romper los puentes de hidrógeno, por lo que la temperatura se eleva lentamente. Función biológica: Acción termorreguladora.
3. Elevado calor de vaporización: Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes de hidrógeno y proporcionar a la molécula suficiente energía cinética para pasar de estado líquido a gaseoso. Función biológica: Termorreguladora.
4. Constante dieléctrica elevada (acción disolvente): El agua es el disolvente universal, el más importante para la vida, debido a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, que pueden presentar grupos polares con carga iónica, como los azúcares. Función biológica: Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo, sistemas de transporte, disolución de compuestos orgánicos e inorgánicos, y vehículo de excreción de productos tóxicos.
5. Elevada fuerza de cohesión y adhesión: La fuerza de cohesión se debe a los puentes de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, convirtiéndola en un líquido prácticamente incompresible. Función biológica: Puede funcionar como esqueleto hidrostático en algunos animales. La fuerza de adhesión está relacionada con los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua y otras moléculas polares. Junto con la cohesión, es responsable del fenómeno de la capilaridad. Función biológica: Ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas.
6. Menor densidad en estado sólido que en líquido: Función biológica: Permite la vida en ecosistemas acuáticos bajo el hielo.
7. Productos de ionización: El agua pura puede considerarse una mezcla de agua molecular, protones (H⁺) e iones hidroxilo (OH^-). Función biológica: Influye en el pH de las soluciones acuosas y participa en muchas reacciones biológicas, como la hidrólisis o rotura de enlaces.
8. Elevada tensión superficial: Función biológica: Permite el movimiento de pequeños organismos invertebrados sobre la superficie del agua.