Sección 2. La Molécula de Agua.

 



 

 

 

 

 

 

 

 








Con objeto de lograr la más amplia comprensión de las relaciones y comportamiento del agua natural se hace necesario, ante todo, abordar algunos aspectos generales de las propiedades fisicoquímicas del agua, desde su estructura molecular hasta sus propiedades físicas y químicas en los diferentes estados de agregación.




 

 

 

 

 

 

 









El agua es el compuesto químico más cotidiano, el más abundante y el de mayor significado para la vida. Su excepcional importancia reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren en la Naturaleza, no sólo en los organismos vivos, animales y vegetales, sino en la materia inerte de la superficie de la Tierra, así como los que se llevan a cabo en el Laboratorio y en la Industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua, es decir, en disolución.



 

 

 

 

 

 

 









El agua se encuentra ampliamente repartida. En estado sólido, en forma de hielo o nieve, cubre las regiones más frías de la Tierra. En estado líquido, ríos, lagos y mares, cubre casi las tres cuartas partes de la superficie terrestre en una profundidad que, en algunos puntos, alcanza los once kilómetros, y constituye una masa de alrededor de 1400 millones de km3. En estado de vapor se encuentra en la atmósfera en una cantidad variable según el lugar y la climatología, pudiendo llegar hasta 6-7% del volumen de aire, aproximadamente. Todos los seres vivos contienen agua en cantidad importante, siendo de un 65% en peso la constituyente del cuerpo humano.




 

 

 

 

 

 

 








En la antigüedad se consideraba al agua como uno de los cuatro elementos fundamentales con que se creía que estaba formada toda la materia –aire, agua, tierra y fuego–. Hasta una época relativamente reciente no se reconoció que el agua es una sustancia compuesta.


 

 

 

 

 

 








En la década de 1780, los experimentos de Cavendish (1731 - 1810) y Lavoisier (1743 - 1794) establecieron que el agua se compone de hidrógeno y oxígeno. En 1805, Gay Lussac (1778 - 1850) y von Humboldt (1769 - 1859) descubrieron que estos elementos se combinan en una relación de 2 volúmenes de hidrógeno por 1 volumen de oxígeno. En 1842, Dumas (1800 - 1884) encontró que la relación en peso de hidrógeno: oxígeno es aproximadamente de 2:16.




 

 

 

 

 

 




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El agua tiene por fórmula H2O. Su estructura molecular puede describirse mediante cuatro orbitales sp3 orientados espacialmente según los vértices de un tetraedro, dirigidos desde el centro constituido por el átomo de oxígeno. Dos de estos orbitales forman sendos enlaces con los átomos de hidrógeno, y los otros dos describen dos pares de electrones no enlazantes.



 

 

 

 

 

 

 










En una estructura perfectamente tetraédrica el ángulo de enlace debería ser de 109.5º. Esta configuración se encuentra en la molécula de agua en fase sólida (hielo hexagonal). Sin embargo, para la molécula aislada –en fase de vapor, por ejemplo– los electrones no enlazantes están sometidos a cierta repulsión dando como resultado un ángulo de enlace algo menor, de alrededor de 104.5º. En fase líquida el valor angular es intermedio, de alrededor de 105-106º.




 

 

 

 

 

 








La disposición espacial de los átomos de hidrógeno, unida a la mayor electronegatividad del átomo de oxígeno frente al hidrógeno, induce la acumulación de carga negativa en las proximidades del átomo de oxígeno (d -) frente a un exceso de carga positiva que, a su vez, se localiza en las proximidades de los átomos de hidrógeno (d+). Esto produce una polaridad en la molécula que se expresa en términos de su momento dipolar cuyo valor, de 6.1 10-30 C m, es de los más elevados.

 

 

 

 

 

 

 

 

 









Una consecuencia de la fuerte polaridad de la molécula de agua es la formación de enlaces que se extienden tridimensionalmente en el espacio uniendo moléculas vecinas, Estos enlaces se denominan enlaces o puentes de hidrógeno. Debido a la ordenación casi tetraédrica de los orbitales, cada molécula de agua puede, como máximo, unirse mediante puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua vecinas.


 

 

 

 

 

 

 











Los enlaces de hidrógeno son relativamente débiles (la energía de estos enlaces se encuentra en el margen de 10-40 kJ/mol frente a los 463 kJ/mol del enlace O-H molecular), pero la formación de este tipo de uniones posee una gran importancia y condiciona notablemente las propiedades fisicoquímicas del agua en cualquier estado físico (gas, líquido o sólido), como veremos más adelante.