La Molécula de Agua: Estructura y Enlaces

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Su fórmula molecular es H₂O. La molécula de agua presenta un enlace covalente entre ambos átomos. Los dos átomos de H están unidos al átomo de O formando un ángulo de aproximadamente 104,5°. Es posible explicar la molécula de agua con la notación de electrón-punto de Lewis. Ni el átomo de oxígeno ni los átomos de hidrógeno tienen el nivel de valencia completo. Se puede pensar que estos átomos comparten pares de electrones, de manera de completar dicho nivel formando enlaces covalentes.

Es posible establecer que el enlace entre estos átomos tiene un 42% de carácter iónico, teniendo en cuenta los valores de electronegatividad:

Electronegatividad del Oxígeno (ENO) = 3,5
Electronegatividad del Hidrógeno (ENO) = 2,1
Diferencia de electronegatividad (ΔENO) = 1,4

Por lo tanto, los átomos en la molécula de agua se mantienen unidos por enlaces covalentes polares. En el espacio, las moléculas de agua pueden organizarse de manera lineal o angular. Se descarta una distribución lineal porque si así fuera, la molécula no sería polar. Las moléculas de agua son triatómicas, angulares y polares.

Aunque la carga neta de la molécula de H₂O es cero, la molécula presenta polaridad. Esto se debe a que el átomo de oxígeno tiene mayor electronegatividad (carga negativa) que el hidrógeno. Esta característica da lugar a una deformación de la nube electrónica del enlace, lo cual favorece que los electrones se encuentren más cerca del oxígeno que del hidrógeno. De esta forma, el oxígeno tiene una cierta densidad de carga negativa y el hidrógeno, una cierta densidad de carga positiva.

Interacciones Intermoleculares: Puentes de Hidrógeno

Las moléculas de agua se unen unas con otras mediante puentes de hidrógeno. Estas uniones se producen entre los átomos de H de una molécula y el átomo de O de otra. Estos enlaces son más débiles que los enlaces covalentes que forman su estructura molecular. Este tipo de enlace permite que cada molécula esté unida a una o a cuatro moléculas más de agua.

Interacción Molecular en los Estados de la Materia

• Estado sólido: Cada molécula de H₂O está unida a otras cuatro por enlaces de hidrógeno.
• Estado líquido: Las moléculas presentan más movilidad y no mantienen enlaces con otras cuatro moléculas, sino solamente con dos o tres.
• Estado gaseoso: No interaccionan con enlaces de hidrógeno y las moléculas están libres.

Propiedades Fundamentales del Agua

Todos sabemos que el agua es incolora, inodora e insípida. El agua es transparente. El color que observamos en ella en ocasiones es debido a los elementos disueltos en el líquido, como las sales o los minerales. Los cationes (átomos cargados positivamente) de estos elementos son los responsables de que el agua tenga color.

Tensión Superficial

La propiedad que hace posible que algunos seres vivos se sostengan sobre el agua es la tensión superficial. Esta propiedad permite a algunos insectos caminar por encima de ella. Ya sea en el río, en el mar o en un recipiente, las moléculas de agua se encuentran en equilibrio debido a las fuerzas de atracción de unas con otras que se dan en todas direcciones. Sin embargo, al encontrarse en contacto con otro medio (como es el aire), las moléculas de la superficie tienden a unirse entre ellas más fuertemente y forman una especie de fina película. Para romper dicha superficie se tiene que ejercer más presión de la esperada, por eso algunos pequeños insectos pueden caminar sobre el agua, ya que no ejercen la fuerza suficiente para romper la tensión superficial.

Gran Disolvente (Disolvente Universal)

El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso se llama el disolvente universal. Esto es debido a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias polares o iónicas, de manera que estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua. El aceite es una sustancia apolar, por esta razón no se disuelve en agua.

Alta Cohesión Molecular

Las moléculas de agua están fuertemente unidas debido a los puentes de hidrógeno; por eso presenta una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible.

Capacidad Calorífica Elevada

El agua tiene un elevado calor específico (cantidad de calor necesaria para aumentar o disminuir 1 °C la temperatura de un gramo de agua). Es capaz de absorber grandes cantidades de calor, que utiliza para romper los puentes de hidrógeno antes de que sus moléculas empiecen a moverse. Por esta razón, también se enfría (su temperatura desciende) más lentamente que otros líquidos, a medida que va liberando energía. Esta propiedad contribuye a que tenga un elevado punto de ebullición.

Capilaridad

La capilaridad es la capacidad que tiene un líquido de subir por un tubo de pequeño diámetro (capilar) o de moverse por un tejido poroso. Esta propiedad es la que permite a las plantas alimentarse, y también la circulación de la sangre en muchos de los seres vivos. Esto se produce porque la adhesión del agua al material del tubo es mayor que la fuerza de unión que existe entre sus moléculas. Dicha propiedad está relacionada, por tanto, con la cohesión molecular y la tensión superficial. La altura que alcanza el agua es mayor cuanto más estrecho es el vaso. Este proceso se favorece con la diferencia de diámetro de los vasos.

Solubilidad de Hidrocarburos en Agua

La solubilidad de los hidrocarburos en agua es muy baja. Esto se debe a la diferencia en la naturaleza de ambos compuestos:

• El agua es una molécula polar, con una fuerte capacidad para formar puentes de hidrógeno.
• Los hidrocarburos (como alcanos, alquenos y alquinos) son no polares, formados principalmente por enlaces C-C y C-H.

Regla de solubilidad: “Lo semejante disuelve a lo semejante”

• Sustancias polares disuelven otras polares (agua y sales, alcoholes).
• Sustancias no polares disuelven otras no polares (hidrocarburos entre sí).

Como consecuencia, los hidrocarburos no se disuelven bien en agua y tienden a flotar debido a su menor densidad. Sin embargo, algunos derivados de hidrocarburos con grupos funcionales polares (como alcoholes o ácidos carboxílicos) sí pueden ser solubles en agua, dependiendo del equilibrio entre la parte polar y la no polar.