ESTRUCTURA E IMPORTANCIA DEL AGUA.

El multifacético y reconocido artista catalán nacido en 1943 Joan Manuel Serrat con la canción de su autoría "El Hombre y el Agua" describe a la perfección la importancia del agua. Simplemente cabe agregar que el agua es una sustancia que participa en todos los procesos vitales y es esencial para la vida.

La imagen nos muestra la estructura de la molécula de agua: formada por 2 átomos de H y un átomo de O unidos por enlace covalente. Además vemos que presenta 2 pares de electrones que no participan del enlace.

La electronegatividad es una propiedad que indica la capacidad de un átomo para atraer hacia sí los electrones de un enlace químico y nos permite distinguir entre un enlace covalente polar y otro enlace covalente no polar. 

Una regla ampliamente usada para predecir el tipo de enlace químico se basa en la diferencia de electronegatividad entre los átomos involucrados. Resumidamente y a los efectos de realizar cálculos sobre predicción de enlace químico con relativa precisión, la regla mencionada establece: cuando dicha diferencia es mayor que 1,7 se forma un enlace por atracción iónica y en caso contrario tenemos un enlace covalente. A su vez: si la diferencia es menor que 0,4 el enlace será covalente apolar y si la diferencia está comprendida entre 0,4 y 1,7 obtendremos un enlace covalente polar.

Uno de los datos aportados por las tablas periódicas es el valor de electronegatividad de Pauling. Linus Pauling, 1901-1994, fue un destacado químico estadounidense, galardonado con 2 premios Nobel, que desarrolló un método para calcular las electronegatividades relativas de la mayoría de los elementos químicos.

Así para el agua tenemos que las electronegatividades del O y del H son 3,5 y 2,1 respectivamente lo que nos da una diferencia de:3,5-2,1= 1,4. En consecuencia el enlace químico en una molécula de agua es covalente polar.

Como se trata de un enlace covalente polar y tal cual lo indica la figura (que representa una molécula de agua aislada) los electrones se comparten de manera desigual: para entenderlo podemos imaginar que hay un "reparto desigual" de los pares de electrones compartidos que forman el enlace. 

Considerando el concepto de electronegatividad (capacidad de un átomo de atraer a los electrones de un enlace químico) en este caso podemos decir que los electrones que forman el enlace en la molécula del agua están más tiempo más cerca del O que del H.  Además el O presenta 2 pares de electrones "propios" (no enlazados, "ajenos" a la formación del enlace químico). En consecuencia observamos que sobre el átomo de O hay una densidad electrónica mayor y viceversa: sobre los átomos de H habrá una densidad electrónica menor. Nota: las densidades de cargas se simbolizan con los signos +q y -q en la imagen.

Nota: aunque este aspecto no lo trataremos en el presente artículo, la imagen también nos muestra que el ángulo formado por el O y los 2 H es de aproximadamente 104,5 °.

La estructura descrita permite que una molécula de agua pueda atraer a otras moléculas próximas y formar uniones intermoleculares denominadas enlaces por puentes de hidrógeno: interacciones débiles comparadas con el enlace covalente o la atracción iónica.

Como muestra el esquema, el enlace por puente de H es la "unión" entre un átomo de O (representado en rojo) y un  átomo de H (representado en celeste)  lo cual es posible gracias a las diferencias entre las densidades de cargas como se expresó anteriormente.

La capacidad de formar puentes de hidrógeno le permite al agua que se encuentra en nuestros lagos y océanos moderar el clima de las zonas circundantes absorbiendo calor en el verano y proporcionado calor en invierno con pequeños cambios en su temperatura. Nota: lo anterior implica que el agua tiene una calor específico elevado (para aumentar su temperatura y su energía cinética, primero se deben romper los puentes de hidrógenos intermoleculares, absorbiendo gran cantidad de calor con sólo un pequeño aumento de temperatura y viceversa).

Por otro lado, como vemos en la tabla adjunta, los puentes de H formados en el agua explican el hecho de que a temperatura ambiente sea la única sustancia del grupo en estado líquido: tiene alto punto de ebullición a pesar del bajo valor de la masa molecular.

El hielo flota en la superficie del agua líquida y obviamente: aunque "esté frío"no es porque quiera estar más cerca del sol!

Una de las propiedades más importantes del agua es que la densidad de su forma sólida es menor que la densidad de su forma líquida y por eso el hielo flota.

Como muestra la figura en el hielo las moléculas de agua forman una red tridimensional típica (que no ocurre en otras moléculas que pueden formar puente de H como por ejemplo el amoníaco, fluoruro de hidrógeno, etc.). 

En el agua sólida cada átomo de O (representados en rojo) forma un tetraedro con cuatro átomos de H (representados en celeste): dos átomos de H están unidos al O por enlaces covalentes (representados por líneas enteras) y otros 2 átomos de H se unen al O mediante puentes de H (representados por líneas punteadas).

La estructura tridimensional ordenada en el hielo evita que las moléculas se acerquen demasiado entre sí. 

Cuando el hielo se funde: en el punto de fusión varias moléculas adquieren suficiente energía cinética como para "liberarse" de los puentes de H intermoleculares y quedan atrapadas en las cavidades de la estructura tridimensional, las cuales se rompen en pequeños conglomerados. Entonces hay más moléculas por unidad de volumen de agua líquida que de hielo: la densidad del agua líquida aumenta. Al aumentar la temperatura más moléculas se liberan de los puentes de H y la densidad del agua líquida continúa aumentando. El valor máximo de densidad del agua líquida se alcanza a los 4°C como muestra la gráfica. 

Otra consecuencia de que la densidad del agua sólida sea menor que la densidad del agua líquida es que una cantidad de agua en estado sólido ocupa un volumen mayor que la misma cantidad en estado líquido. Este hecho lo podemos verificar en la vida cotidiana: si colocamos en el freezer un cubito con agua líquida a simple vista observaremos que cuando se transformó en hielo el volumen de agua aumentó.

Finalizando este artículo transcribimos un artículo (y la imagen que lo acompaña) publicado en el libro: "Química" Décima Edición. Editorial: Mc Graw Hill de Raymond Chang

"¿Por qué los lagos se congelan desde la superficie hacia el fondo? El hecho de que el hielo sea menos denso que el agua tiene una profunda implicación ecológica. Considere como ejemplo los cambios de temperatura en el agua dulce de un lago en un clima frío. A medida que la temperatura del agua cercana a la superficie desciende, su densidad aumenta. El agua más fría entonces se hunde hacia el fondo mientras que el agua más tibia, que es menos densa, sube a la superficie. Este movimiento normal de convección continúa hasta que la temperatura en toda el agua alcanza 4 °C. Por debajo de esta temperatura, la densidad del agua comienza a descender con la disminución de la temperatura de manera que ya no se va hacia el fondo. Con mayor enfriamiento, el agua de la superficie comienza a congelarse. La capa de hielo formada no se hunde debido a que es menos densa que el agua líquida; incluso actúa como aislante térmico para el agua que se encuentra debajo de ella..Si el hielo fuera más pesado, se hundiría hasta el fondo del lago y finalmente el agua se congelaría en forma ascendente. La mayoría de los organismos que habitan en el agua no sobrevivirían y se congelarían. Por fortuna, el agua de los lagos no se congela desde el fondo hacia la superficie. Esta propiedad peculiar del agua hace posible la pesca deportiva en hielo" (Como muestra la imagen).