La Estructura Molecular del Agua

La Estructura Molecular del Agua

¿Hay algo aparentemente más simple que el agua? Pese a su aparente simplicidad este líquido que tan bien conocemos es complejo y todavía no lo comprendemos bien. El agua está dotada de unas excepcionales propiedades físico - químicas que constituyen su especificidad. Como pone de manifiesto este artículo, la estructura microscópica del agua líquida, que está en la base de estas propiedades, es un tema de investigación que puede aportar algunas novedades.

El agua es uno de los cuatro "elementos" que el filósofo griego Aristóteles había definido como constituyentes del Universo (los demás son el aire, la tierra y el fuego). Todavía hoy no es el que mejor comprendemos. Dada nuestra familiaridad con el agua, el hecho no deja de ser sorprendente. Océanos, lagos, ríos, precipitaciones; abundante en casi todas las regiones de la Tierra, el agua determina en gran parte los paisajes y los climas.Muy a menudo es sinónimo de vida: el agua es un componente esencial de la estructura y el metabolismo de todos los seres vivos.

Ciertamente, este papel primordial del agua no hay que atribuirlo al azar sino que deriva de sus excepcionales propiedades físicas y químicas. Un ejemplo de propiedad biológicamente importante del agua es su efecto hidrófobo, es decir, el hecho de que los grupos hidrocarbonados CH tienden a ser repelidos por las moléculas de agua. Este efecto es responsable, en parte al menos, de las complejas estructuras espaciales que presentan las proteínas, el ADN y las bicapas lipidicas de las membranas celulares. En ausencia de agua, todas estas estructuras serían inestables. Cabe decir incluso, sin demasiado riesgo de error, que este efecto pudo desempeñar un papel determinante en la aparición de la vida sobre la Tierra. Pero el efecto hidrófobo no es la única propiedad interesante del agua. En lo que sigue nos encontraremos con otras. ¿Por qué es el agua una sustancia química tan privilegiada? La respuesta, claro está, se encuentra en la molécula y sus interacciones con el medio ambiente. Las moléculas de agua son relativamente bien conocidas pero las interacciones que se establecen en un grupo de moléculas de agua lo son menos. No obstante, son éstas las que contribuyen en gran parte a que el agua sea un liquido excepcional.

El agua fue considerada como un cuerpo simple hasta el siglo XVIII. En 1781 el químico (y teólogo) inglés Joseph Priestley realizó su síntesis por combustión del hidrógeno. Los químicos Antoine-Laurent Lavoisier y Henrv Cavendish demostraron que el agua estaba formada por hidrógeno y oxigeno. Más tarde, en 1805, el químico francés Louis-Joseph Gay-Lussac y el sabio prusiano Alexandei- von Humboldt determinaron que el cociente de volúmenes hidrógeno / oxigeno valía 2, lo cual condujo finalmente a la fórmula molecular H20. La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

En la molécula de H,O, cada átomo de hidrógeno está unido al átomo de oxígeno por un enlace covalente. En este enlace, relativamente fuerte, el átomo de hidrógeno y el átomo de oxígeno ponen en común un electrón cada uno. Estos átomos adquieren así un electrón añadido: el átomo de hidrógeno se encuentra con dos electrones en vez de uno y el de oxígeno con ocho electrones periféricos en vez de seis (porque participa en dos enlaces). Como se sabe, estos números corresponden a capas electrónicas externas completas que confieren una gran estabilidad a la molécula.

El agua, ese liquido excepcional en tantos aspectos, está formada por moléculas H2O de geometría tetraédrica: los dos enlaces covalentes OH y los dos dobletes electrónicos libres (representados aquí con dos flechas) del átomo de oxígeno apuntan hacia los vértices de un tetraedro en cuyo centro esta el oxigeno. Las moléculas de agua pueden agruparse entre si gracias a unos enlaces de tipo electrostático llamados enlaces de hidrógeno, cuyo papel es determinante para las propiedades del agua. Puede establecerse un enlace de hidrogeno (B) entre el átomo de hidrogeno de una molécula y el de oxigeno de otra próxima. La configuración O-H....H es lineal.

La distribución de los electrones en el enlace covalente OH no es simétrica: los electrones están más fuertemente atraídos por el átomo de oxigeno que por el de hidrógeno. Como consecuencia, el oxigeno queda cargado negativamente y los hidrógenos positivamente. Este desequilibrio en la distribución de las cargas eléctricas, añadido a la geometría no lineal de la molécula de agua se traduce en la existencia de un "momento bipolar - eléctrico". Este desequilibrio eléctrico es responsable del gran poder disolvente del agua para con los cristales iónicos (determinadas sales, ácidos o bases). Las moléculas de agua pueden insertarse entre los iones constitutivos del cristal orientando hacia ellos la parte de carga eléctrica opuesta. El apantallamiento resultante debilita considerablemente la atracción entre los iones cristalinos, reduciendo la cohesión del cristal y facilitando su disolución.