Propiedades Físico-Químicas del Agua: Estructura Molecular y su Rol Vital en la Biología
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El Agua: Fundamento de la Vida y sus Propiedades Físico-Químicas Únicas
1. La Esencia de la Vida
El agua es indispensable; no puede haber vida sin ella, ni siquiera para los microorganismos (que son las células más sencillas).
Importancia Biológica
- El agua constituye aproximadamente el 70% de nuestro peso corporal.
- Representa el 28% en los huesos y hasta un 85% en las células cerebrales.
- Posee una gran capacidad como disolvente del resto de los componentes celulares, como son las proteínas.
Algunos organismos, como los tardígrados (*osos de agua*), específicamente Echiniscus y Macrobiotus, tienen la capacidad de sobrevivir en un estado de anhidrobiosis (sin agua) por hasta 100 años. Cuando encuentran humedad, vuelven a su forma original.
2. Distribución del Agua en la Tierra
El agua puede ser encontrada, principalmente, en forma de hielo; de hecho, es el material base de los cometas.
La distribución del agua en la Tierra es la siguiente (porcentajes aproximados):
- Océanos: 96.5%
- Glaciares y casquetes polares: 1.74%
- Depósitos subterráneos (acuíferos), permafrost y glaciares continentales: 1.72%
- Otros depósitos (decreciente, 0.04%): Lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos.
3. Estructura Molecular y Polaridad
La molécula de agua está formada por átomos unidos por enlaces covalentes que se comportan como enlaces parcialmente iónicos. Esto se debe a que existe una polaridad electrónica en la molécula:
- El oxígeno atrae los electrones con más fuerza, adquiriendo una carga parcial negativa (Oδ⁻).
- Los hidrógenos adquieren una carga parcial positiva (Hδ⁺).
Por esta razón, el agua es una molécula polar, comportándose como un imán con polos.
Geometría Molecular
El agua es un tetraedro irregular, resultado de la hibridación sp³.
Los pares de electrones ocupan las esquinas del tetraedro. El ángulo de 104.5 grados entre los hidrógenos difiere un poco del ángulo del tetraedro ideal, que es de 109.5 grados. Las cargas parciales de las moléculas (escritas entre paréntesis) demuestran que son más débiles que las cargas de los iones.
4. Propiedades Termodinámicas Únicas
4.1. La Anomalía de la Densidad
La densidad del hielo es de 0.92 g/ml y la del agua líquida es de 1.00 g/ml. Esto significa que el hielo tiene menos moléculas que las que contiene un volumen igual de agua, por lo que el hielo flota.
Si el hielo se hundiera (si fuera más denso que el agua líquida), se provocaría un desastre para los peces y las plantas que crecen en regiones de inviernos helados. Raramente tendría la oportunidad de derretirse, y eventualmente todas las lagunas, lagos y océanos estarían congelados.
4.2. Calor Específico
El calor específico es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de sustancia en 1 grado Celsius.
El alto calor específico del agua sirve para:
- Enfriar los motores de automóviles y calefactores en edificios.
- Regular la humedad en los bosques.
- Mantener la temperatura sanguínea estable.
4.3. Calor de Fusión (Calor Molar de Fusión)
El calor de fusión es la energía que se gasta en la fusión de un mol de un sólido.
Un mol de agua equivale a 18 gramos. Para poder fundir (pasar de hielo a líquido) 18 gramos de agua se necesitan 80 cal/g.
Este calor es necesario para que las moléculas del sólido (hielo), que presentan un orden continuo debido a las fuerzas de atracción, adquieran energía cinética para pasar a un orden discontinuo, característico del líquido.
Protección Térmica y Aplicaciones
Para congelar un mol de agua (18 g) se necesita remover la misma cantidad de energía que se absorbe al descongelarlo.
En los seres vivos, el alto calor de fusión del agua proporciona un sistema eficiente de protección contra el frío.
Aunque parezca contradictorio, cuando en los invernaderos ha bajado la temperatura de una manera considerable y los vegetales pueden dañarse por el frío extremoso, si no se dispone de otra fuente de calor, se introduce hielo en ellos. Al ocurrir el descongelamiento, se absorbe energía del ambiente, o, si se utiliza la técnica de rociar agua, el congelamiento libera calor, ayudando a subir la temperatura y proteger los cultivos.