propiedades disolventes del agua

7/24/2019 Propiedades Disolventes Del Agua

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Jorge Pen Pera l ta

l agua es una de las sustancias ms abundantes en nuestro alrededor. Este

esencial lquido representa una de las molculas (H2O) que ms prevale-cen en el Universo entero, ocupando el segundo lugar despus de la mo-lcula de hidrgeno (H2). Como es sabido, el agua es tambin la sustan-

cia ms importante para el desarrollo y el sostn de la vida en nuestro planeta; dehecho, la mayora de los procesos biolgicos se llevan al cabo gracias a ella. Comodato adicional, podemos recordar que, aproximadamente, 70 por ciento de la su-perficie terrestre est cubierta por el lquido. A esto se suma el hecho de que lamayor parte de la energa solar que obtiene la superficie de nuestro planeta seabsorbe gracias a su contenido de agua y su evaporacin, y la consecuente forma-cin de nubes es uno de los principales factores que coadyuvan a estabilizar latemperatura terrestre.

Desde la perspectiva de la qumica, el agua tiene una enorme capacidad paradisolver otras sustancias, por lo cual se le ha dado el sobrenombre de disolventeuniversal. Gracias a tal capacidad, es posible mantener en forma de disolucinacuosa una enorme diversidad de compuestos; esto resulta esencial en muchosmbitos como, por ejemplo, los ecosistemas acuticos y los medios acuosos y coloi-dales de los tejidos y las clulas. Es esencial sealar que las propiedades del aguaestn determinadas, en el nivel ms fundamental, por la geometra de su molcu-la y por la naturaleza de los tomos que la forman. A continuacin se presenta una

E l a g u a, una sustanciatan comn comos o r p r e n d e n t e

El agua es quiz e l nico l quido capaz de mantener en so luc in a

gran var iedad de espec ies qumicas , l as cua les t ienen que conservar

un equi l ibr io prec iso para hacer que se l leven a cabo procesos bio l-

g icos de gran complej idad .

E


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pares de electrones libres o no compartidos del oxgeno. Alexistir cuatro pares de electrones alrededor del ncleo del tomode oxgeno, stos se tienden a distribuir en tres dimensiones,manteniendo la mayor distancia posible entre ellos para que lasfuerzas de repulsin sean mnimas. El resultado de tales inter-

acciones es que los tomos de hidrgeno, junto con los pareselectrnicos de los enlaces H-O, quedan proyectados de unmismo lado de la molcula, en tanto que los dos pares libres sedistribuyen en el resto del espacio. Como se ver ms tarde, mu-chas de las propiedades del agua se deben a esta geometra mo-lecular angulada; y es justo dicha disposicin atmica la que lepermite al agua interactuar de maneras muy especficas con otrasmolculas, as como con iones (tomos o molculas cargados elc-tricamente) e incluso con molculas biolgicas de gran tamao.

Otra de las caractersticas ms importantes del agua tieneque ver con el grado depolaridad o de separacin de carga elc-

trica que existe en la molcula. En la parte central de la Figura 1se presenta la imagen de una molcula de agua, donde se apre-cia la distribucin de carga elctrica. La densidad de la nube deelectrones (que rodea y mantiene unidos a los ncleos de hi-drgeno y oxgeno) se indica con una escala de colores: las zonasen rojo corresponden a lugares con mayor carga negativa, graciasa una mayor densidad de la nube electrnica; las zonas en verdeindican una menor densidad electrnica. Como se puede ver,la distribucin de carga es asimtrica, ya que los dos tomos dehidrgeno tienen una densidad electrnica muy baja (y por lo

tanto, una carga parcial positiva, +

), en tanto que del lado del

breve explicacin acerca de la constitucin deeste vital compuesto, para luego referirnos asus propiedades fisicoqumicas.

L a e s t r u c t u r a m o l e c u l a rd e l a g u aEn cualquiera de sus estados de agregacin,el agua da la apariencia de ser una sustan-cia relativamente simple; sin embargo, tras

esta primera impresin, se esconde un impor-tante grado de complejidad a nivel microsc-pico. En la Figura 1 se muestra la imagen deuna molcula de H2O individual; en ella seaprecia que los dos tomos de hidrgeno se en-cuentran unidos a un tomo de oxgeno, ambos

del mismo lado, dndole a la molcula una for-ma en V, con un ngulo de 104.5 grados entrelos enlaces O-H.

Dicha geometra se determina por el orde-namiento de los pares electrnicos en la molcu-la: existe un total de 8 electrones de valencia oexteriores en el agua; de estos electrones, dospares corresponden a enlaces oxgeno-hidr-geno (donde cada tomo aporta un electrn alenlace), mientras que los otros dos pares no par-

ticipan en los enlaces y se consideran como

A g u a

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F i g u r a 1 . a) Diagrama de una molcula de agua ind iv idua l . b) Mapa de co lores del pot enc ia l e lect rost t ico . c ) Esquema s impl i f i cado del agua

ind icando cargas parc ia les en cada t omo.

a) b)

c)


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tomo electronegativo como oxgeno o nitr-geno. La polaridad intrnseca de tal enlace hace

posible que el tomo de hidrgeno pueda sen-tir al mismo tiempo una atraccin electros-ttica ejercida por un segundo tomo electro-negativo, el cual se encuentra ubicado en otramolcula. En un puente de hidrgeno, al tomoelectronegativo unido de forma covalente alhidrgeno se le conoce como el tomo dona-dor; al otro tomo electronegativo se le cono-ce como aceptor del puente de hidrgeno.

Uno de los ejemplos ms sencillos y a la vez

ms importantes de la formacin de puentes dehidrgeno involucra a dos molculas de agua,segn se indica en la Figura 2. En este dmero opar de molculas unidas que conforman H2O seaprecia que el tomo de hidrgeno de una delas molculas es atrado por el oxgeno de la otramolcula de agua, sirviendo as como un inter-mediario o puente para la interaccin entre losdos oxgenos. Adicionalmente, las molculasde agua pueden participar de manera simult-nea en puentes de hidrgeno con varias otras

molculas de agua. Tal comportamiento se pre-senta tanto en el estado lquido como en elslido. Es importante subrayar que, aparte delas cargas parciales de los tomos del agua(H+OH+), como se ha mencionado, es la

forma geomtrica angular de la molcula lo quepermite a una misma molcula funcionarcomo donadora del hidrgeno de hasta dos

tomo de oxgeno se encuentra un volumen dealta densidad electrnica (y por lo tanto, unacarga elctrica parcial negativa, ).

La distribucin de la densidad electrnicaen el agua obedece a dos razones. La primera

es la geometra misma de la molcula. Como seha mencionado, los dos pares electrnicos nocompartidos del oxgeno se mantienen, aproxi-madamente, del lado opuesto a los dos to-mos de hidrogeno, que comparten su nicoelectrn con el oxgeno, formando un enlacequmico. La segunda razn tiene que ver conla naturaleza de los enlaces oxgeno-hidrge-no. El ncleo del tomo de oxgeno tiene unacapacidad significativamente mayor que el ncleo del hi-drgeno para atraer los electrones de un enlace O-H hacia su

lado de la molcula (el oxgeno es un tomo ms electronega-tivo que el hidrgeno). Debido a esto, los electrones involu-crados tienden a ubicarse ms cerca del oxgeno en los dosenlaces oxgeno-hidrgeno. Ambos factores redundan en laasimetra de la distribucin de carga, como se muestra en la Fi-gura 1.

A las molculas con una separacin espacial de carga comola del agua se les conoce como compuestospolares (pues tienenpolos de carga elctrica). En el lado derecho de la Figura 1 seresume esta cualidad marcando dos cargas parciales positivas a

los tomos de hidrgeno, y una carga parcial negativa al tomode oxgeno. Esta ltima simplificacin es muy til para com-prender una gran variedad de las propiedades del agua.

En conjunto, la polaridad de la molcula del agua y su espe-cial geometra determinan todas las dems propiedades del agua.A continuacin se presenta una muy breve revisin de algunasde ellas, haciendo nfasis en cmo el comportamiento en el ni-vel molecular determina los efectos que observamos en el nivelmacroscpico.

L o s p u e n t e s d e h i d r g e n o e n e l a g u aPor su estructura, el agua es un compuesto prototpico parala formacin de los llamadospuentes o enlaces de hidrgeno.En un puente de hidrgeno, dos tomos con cargas parcia-

les negativas interactan, atrayndose de manera indirecta atravs de un tomo de hidrgeno de carga parcial positiva.

El tomo de hidrgeno, que funciona como puente, se en-cuentra unido covalentemente (compartiendo electrones) a un

E l a g u a , u n a s u s t a n c i a t a n c o m n c o m o s o r p r e n d e n t e

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L A C O N F I G U R A C I N E L E C T R N I C A D E L A G U A

La configuracin electrnica ms aceptada hoy en da para la mol-

cula del agua, y que es capaz de describir cualitativamente la distri-

bucin electrnica descrita en los prrafos anteriores, considera que

el tomo de oxgeno se encuentra en lo que se conoce como una

hibridacin tipo sp2

(dos de los orbitales las regiones del espaciodonde se pueden encontrar los electrones tipo 2pdel oxgeno se

combinan con el orbital 2spara formar tres orbitales tipo sp2, que-

dando un orbital tipo pno hibridizado). De esa manera, dos de los

orbitales sp2 participan en los enlaces con los tomos de hidrgeno,

mientras que, de los dos pares libres de electrones, uno est asocia-

do al tercer orbital sp2del oxgeno, y el par remanente se encuentra

asociado al orbital tipo pno hibridizado del oxgeno.


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nes agua-agua hace que exista una incesante fluctuacin dela estructura interna del lquido. Junto con la polaridad, estadinmica hace que el agua sea un excelente fluido para la rea-lizacin de una gran diversidad de procesos qumicos; en parti-cular, para aquellos que requieren la separacin y la difusin de

especies qumicas con cargas elctricas netas o parciales. Mu-chos de estos procesos qumicos tienen que ver con procesosbiolgicos como la fotosntesis, la sntesis de trifosfato de ade-nosina (ATP), el movimiento de iones a travs de las membra-nas celulares, etctera.

L a d i s o l u c i n d e i o n e sy d e c o m p u e s t o s p o l a r e sLa polaridad de la molcula de H2O le permite tener inte-racciones de tipo electrosttico con muchas otras especies

qumicas que tengan algn grado de polaridad; o bien, concargas elctricas netas en sus tomos. Tal es el caso de los com-puestos inicos.

La forma slida de dichos compuestos est constituida pordos especies en un arreglo cristalino: un catin, de carga posi-tiva, y un anin, de carga negativa. En el caso del cloruro desodio, la sal de mesa comn (NaCl), los iones corresponden alanin cloruro (Cl) y al catin sodio (Na+). En la Figura 3 seincluye el diagrama de un cristal de NaCl, donde se distinguenambas especies formando un empaquetamiento tridimensional

perfectamente ordenado en el slido.

puentes, al tiempo que como aceptora deltomo de hidrgeno en la interaccin con otrasmolculas de agua. En la Figura 2 se incluye eldiagrama de un conjunto de molculas de aguaen el seno del lquido, donde es posible apre-

ciar este fenmeno.La energa asociada a la formacin o ruptu-ra de un puente de hidrgeno individual es deunas 5 kilocaloras por mol, lo cual equivale aaproximadamente un 5 por ciento de la ener-ga de un enlace qumico de tipo covalente.Esto hace que a los puentes de hidrgeno se lesclasifique como interacciones de tipo dbil; dehecho, en el agua lquida dichos puentes son losuficientemente frgiles como para que existauna continua formacin y ruptura de los enla-

ces de hidrgeno. Aunque se les considere in-teracciones dbiles en comparacin con losenlaces covalentes, la energa de un puente dehidrgeno es significativamente mayor quela energa con la que interactan las molculasde otros lquidos, por ejemplo el cloroformo, elter y la acetona.

El tiempo de vida promedio de un enlacede hidrgeno es extremadamente breve: de al-rededor de unas diez billonsimas de segundo.

La rpida ruptura y formacin de interaccio-

A g u a


F i g u r a 2 . a) Esquema de un d mero de agua . La l nea punt eada represent a la in t eracc in t ipo puent e de h idrgeno en e l d mero .

b) Esquema de un grupo de molculas en e l seno del l quido . Las l neas cont inuas en e l l quido muest ran la formac in de cadenas de puent es

de h idrgeno . Tambin se ind ica la d i st anc ia ox geno-oxgeno en un puent e medida en ngst roms (d iezmi l lons imas de mi l met ro) .

a) b)


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manentes. Existen once formas cristalinas ofases slidas diferentes para el agua. stas difie-ren entre s por la manera particular como lasmolculas se empaquetan en el espacio paraformar un slido. A la existencia de las diver-

sas formas cristalinas se le conoce como poli-morfismo del hielo.

Cada uno de los mencionados once estadosde agregacin puede formarse en cierto inter-valo de presin y de temperatura; sin embargo,slo la fase hielo Ih representa la forma establea las condiciones de la atmsfera de la Tierra;de ah que tanto el hielo como la nieve quevemos comnmente se encuentran en dichaforma slida. Un aspecto constante en todaslas fases slidas del agua es que cada tomo de

oxgeno establece dos enlaces de hidrgenocomo donador y que, simultneamente, par-ticipa como aceptor en otros dos puentes dehidrgeno. Lo anterior se puede apreciar en laFigura 4, donde se muestra el ordenamientomolecular en el hielo tipo Ih. En esta forma s-lida, todas las molculas de H2O se encuentranen un ambiente idntico, formando enlaces dehidrgeno en las direcciones de un tetraedro.En la Figura mencionada tambin se incluye un

diagrama ms extendido que muestra cmo el

La capacidad del H2O para interactuar fuertemente con losaniones y cationes hace posible que muchos compuestos ini-cos puedan disolverse en el agua. En la Figura 3 tambin se es-quematiza la manera como el agua puede separar las cargas delos iones sodio de la carga de los cloruros al disolverse un cris-

tal de NaCl. En la disolucin, los aniones quedan rodeados pormolculas de agua con los tomos de hidrgeno proyectadoshacia la carga negativa, mientras que los cationes se rodean delos oxgenos del agua. Por otro lado, cuando una molcula polarse encuentra en solucin acuosa, las diferentes zonas parcial-mente cargadas de sta interactan con molculas de agua orien-tadas de forma adecuada para neutralizar las cargas parciales.

En conjunto, estas interacciones posibilitan el hecho de quemuchos compuestos puedan mantenerse en difusin libre enuna solucin acuosa. Por ejemplo, en los medios tisular y celu-lar pueden existir decenas de diferentes especies inicas y pola-

res conviviendo en una misma disolucin. Es probable que elagua sea el nico lquido con la capacidad de mantener en solu-cin a tal variedad de especies, las cuales tienen que conservarun equilibrio preciso para hacer posible que se lleven a caboprocesos biolgicos de enorme complejidad.

E l a g u a e n e l e s t a d o s l i d oEn el estado slido, en el cual las molculas prcticamentecarecen de movimientos de traslacin y rotacin, el agua

es capaz de agregarse formando puentes de hidrgeno per-


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F i g u r a 3 . Esquema de la d i so luc in de un cr i st a l de c loruro de sod io . Los iones c loruro (Cl ) se ind ican en gr i s y los iones sod io (N a +) e n

verde .


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A g u a


F i g u r a 4 . Diagrama del ar reg lo cr i st a l ino en e l h ie lo . a) Formac in de cuat ro en laces de h idrgeno a lrededor de la molcula de agua cen-

t ra l . b) Red cr i st a l ina de h ie lo . N t ese e l ar reg lo hexagona l .

a) b)


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un movimiento en la superficie de los cuerposde agua. Este movimiento redunda en la for-macin de olas, las cuales son esenciales parala difusin de oxgeno en los mares y ocanos.

P r o p i e d a d e s t r m i c a s d e l a g u aLa capacidad calorfica es la cantidad deenerga en forma de calor que se requierepara elevaren ungrado centgrado la tempe-

ratura de una sustancia. Dicha propiedad tieneque ver con la eficiencia con la que la energaabsorbida redunda en un incremento de la ener-ga cinticao energa de movimiento de las mo-lculas en una sustancia. El agua resulta ser unode los lquidos con mayor capacidad calorfica

que se conocen: se requiere una calora por cadagrado centgrado que se eleva la temperatura deun gramo de agua (aproximadamente tres vecesmayor que en los alcanos, por ejemplo). Esto

arreglo peridico de los tomos da origen a una malla de formahexagonal con los tomos de oxgeno en los vrtices.

Los puentes de hidrgeno presentes en el hielo Ih hacenque se obtenga, para este slido, un empaquetamiento atmicode muy baja densidad (0.917 gramos por centmetro cbico).

Tan baja densidad se debe a que los oxgenos pueden interactuara una distancia relativamente grande (gracias al hidrgeno quefunciona como mediador). Es posible calcular que slo aproxi-madamente un tercio del espacio disponible en realidad es ocu-pado por un oxgeno o un hidrgeno. Este empaquetamiento detomos implica que para la misma cantidad de masa, el hieloocupa aproximadamente 9 por ciento ms de espacio que el agualquida. Lo anterior tiene un efecto que todos podemos recono-cer cotidianamente: los cubos de hielo flotan en nuestras bebi-das y los icebergs flotan en los ocanos.

Resulta claro que el agua es uno de los mejores ejemplos de

cmo nuestra realidad macroscpica est determinada por lamanera en que los tomos y las molculas se relacionan entre s.

T e n s i n s u p e r f i c i a lLas molculas de agua que se hallan en la frontera o inter-faz entre una fase lquida y una fase gaseosa como el aire, notienen la misma oportunidad de formar puentes de hidrge-

no que las molculas que se encuentran dentro del lquido y queestn completamente rodeadas por otras molculas de H2O. Esto

ocasiona que las molculas en la interfaz estn sometidas a unafuerza hacia el seno del lquido que no est balanceada del ladode la fase gaseosa. La resultante es que el rea superficial de uncuerpo de agua tiende a reducirse al mnimo, para reducir eldesbalance de fuerzas. En otras palabras, al minimizar el reasuperficial se minimiza el nmero de molculas con interac-ciones faltantes. Esta tendencia a reducir el rea, deriva enuna tensin en la interfaz lquido-gas conocida como tensinsuperficial.

Aunque el fenmeno est presente en todos los lquidos, elcaso del agua es particular, debido a que la energa de los puen-

tes de hidrgeno le danuna tensinsuperficial significativamentemayor que la mayora de las sustancias. La tensin superficialdel agua a 25C es de 72 milinewtons por metro (como punto decomparacin, la tensin superficial del alcohol etlico es de tanslo 22.4 milinewtons por metro). La elevada tensin superficialdel agua tiene varias implicaciones importantes. Adems de per-mitirles a algunos insectos caminar por la superficie de los lagos,hace posible que las corrientes de aire sean capaces de inducir




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L a h i d r a t a c i n d e l a s p r o t e n a sUna de las facetas ms recientemente reconocidas del aguatiene que ver con su participacin en la funcin de las pro-tenas. Estas molculas biolgicas son por cadenas (polme-

ros) formadas por cientos de unidades (monmeros) conocidos

como aminocidos, y son compuestos esenciales para todos losseres vivos, ya que participan de muy diversas formas en la fisio-loga de los organismos.

En general, las protenas tienen una estructura tridimensionalcompleja que suele incluir sitios de reconocimiento de otrasmolculas, as como sitios activos donde se realizan las trans-formaciones qumicas. Las molculas de agua juegan un papelesencial en la complicada estructura de estas macromolculas.Gracias a su capacidad de formar enlaces de hidrgeno, el agua

se debe a que las interacciones H2O-H2O porpuentes de hidrgeno son significativamentems fuertes que las presentes en la mayora delos lquidos. Gracias a ello, cuando un cuerpode agua absorbe calor, una buena parte de esta

energa no se manifiesta directamente en losmovimientos de las molculas, sino en la de-formacin y la ruptura de los enlaces de hidr-geno. El hecho de que el agua pueda absorberuna gran cantidad de calor sin incrementar engran medida su temperatura la hace un ex-celente fluido para remover energa trmicade cuerpos muy calientes, como los motores decombustin interna.

A g u a


F i g u r a 4 . Imagen de una prot e na (azul ) con un grupo de molculas de agua int eract uando con aminoc idos de su superf ic ie .


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puede estabilizar la estructura proteica mediante interaccionescon los aminocidos polares y inicos con los que tiene contactoen la superficie de la protena. Es tal la influencia del agua, que seha demostrado que las enzimas pierden totalmente su funciona-lidad cuando no existe una cantidad suficiente de agua en el

medio.En la Figura 5 se incluye el diagrama de una protena juntocon algunas molculas de agua que se encuentran formandoenlaces de hidrgeno con aminocidos en la superficie. Como seaprecia, tambin es frecuente que una o ms molculas de aguafuncionen como elementos de conexin entre regiones diferen-tes de la protena. Las molculas de agua logran esa accin al for-mar puentes de hidrgeno simultneos en dos puntos diferentesde la estructura; con esto, prcticamente se puede considerar queel H2O se integra a la estructura de la macromolcula.

C o n c l u s i nEs fascinante descubrir que las propiedades de este peque-o compuesto de tan slo tres tomos estn totalmentedeterminadas por un arreglo molecular especfico y cierta

distribucin electrnica. Como hemos podido ver, las propie-dades fsicas y qumicas del agua son muy particulares y definenun caso nico entre todas las sustancias qumicas. Estas propie-dades tienen una enorme relevancia en la definicin delmundo en que vivimos; no hay duda de que nuestra realidad

sera muy diferente si no furamos organismos basados, entodos los niveles, en nuestra convivencia con el agua.

Jorge Pen Peralta es doctor en ciencias con especializacin en fisicoqumi-

ca por la Ohio State University. Realiz estudios posdoctorales en el Insti-

tuto Tecnolgico de California y es investigador del Instituto de Qumica de

la Universidad Nacional Autnoma de Mxico, UNAM, desde 200 3. Entre sus

principales aportaciones cientficas se encuentran los primeros estudios di-

rectos de la dinmica de la hidratacin de protenas mediante tcnicas de

pulsos lser ultracortos.

[email protected]



B i b l i o g r a f aKusalik, P. G. e I. M. Svishchev (1994), The spa-

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