LA QUÍMICA DEL AGUA

Composición química del agua: está formada por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. Los enlaces H-O son covalentes, dado que comparten un par electrónico. Debido a que el oxígeno tiene un carácter no metálico mayor (posee una mayor electronegatividad), el par electrónico de enlace está más cerca de este elemento que del hidrógeno, determinando la polaridad del enlace. La estructura de la molécula de agua es angular, y el ángulo de enlace es de 105º. La estructura del agua es un dipolo, donde el oxígeno tiene una densidad de carga negativa, y asociado a los hidrógenos encontramos una  densidad de carga positiva. La condición de polaridad de las moléculas de agua hace que estas se atraigan entre sí, generando una interacción molecular entre el polo positivo de una molécula y el polo negativo de otra, mediante una asociación llamada puente de hidrógeno o enlace puente de hidrógeno. Desde el punto de vista químico, el agua es considerada un compuesto.

El agua es fuente de vida, toda la vida depende del agua. Constituye un 70% de nuestro peso corporal y en las algas un 98%. Necesitamos agua para respirar, para lubricar los ojos, para desintoxicar nuestros cuerpos y mantener constante su temperatura. Por eso, aunque un ser humano puede vivir por más de dos semanas sin comer, puede sobrevivir solamente tres o cuatro días sin tomar agua. Las plantas serían incapaces de producir su alimento y de crecer sin el agua. Es un regulador de temperatura en los seres vivos y en toda la biosfera, por su alta capacidad calórica (su temperatura no cambia tan rápido como la de otros líquidos). En la fotosíntesis se utiliza como fuente de átomos de hidrógeno. En las reacciones de hidrólisis, en que las enzimas hidrolíticas han explotado la capacidad del agua para romper determinados enlaces hasta degradar los compuestos orgánicos en otros más simples, durante los procesos digestivos. El agua sirve además para el transporte de sustancias, lubricante, amortiguadora del roce entre órganos, favorece la circulación y turgencia, da flexibilidad y elasticidad a los tejidos. Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando iones hidrógeno o bien iones hidroxilos al medio. Es muy importante para nosotros, porque en la formación de nuestro cuerpo y en todos los procesos biológicos se requiere el agua. Si nuestros pulmones no estuvieran siempre húmedos, no podríamos respirar, si la saliva no mojara el alimento, no podríamos ingerirlo. Si el agua que forma parte de la sangre, no transportara los alimentos por todo el cuerpo, nuestras células no se alimentarían, no respirarían y tampoco podrían eliminar las toxinas, si las lágrimas no humedecieran nuestros ojos, éstos se irritarían. Pero así como necesitamos el agua, también la perdemos en grandes cantidades: en la transpiración, eliminamos con el sudor sustancias de desecho que son nocivas para nuestro cuerpo. Al respirar, eliminamos por la boca y la nariz agua en forma de vapor. En la orina expulsamos gran cantidad de desechos. Actúa como catalizador en al cadena de procesos químicos. Una privación prolongada de agua provoca además de una sed intensa y de sequedad de la piel y de las mucosas, fiebre, colapso cardiaco y, en las cosas más graves coma y la muerte. Pero también la ingestión excesiva de agua provocar trastornos que, en casos extremos, resultan mortales.

Propiedades del agua relacionadas con la T°: el agua pura es un líquido inodoro e insípido. Tiene un matiz azul, que sólo puede detectarse en capas de gran profundidad. A la presión atmosférica (760 mm de mercurio), el punto de congelación del agua es de 0° C y su punto de ebullición de 100° C. El agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4° C y se expande al congelarse, por lo que disminuye su densidad, lo mismo sucede a medida que aumenta su T° a partir de los 4 °C. Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobre enfriado, es decir, que puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo de su punto de congelación; se puede enfriar fácilmente a unos -25° C sin que se congele. El hielo presenta una menor densidad que el agua en estado líquido y, además, exhibe una baja conductividad térmica. Dichas propiedades explican que, a bajas temperaturas, el hielo queda en la superficie de los mares y lagos y no se produce el congelamiento completo de estos depósitos naturales, posibilitando así la existencia de variadas formas de vida acuática. Este fenómeno anterior se relaciona con la llamada anomalía del agua, que es una excepción a la regla general de que los sólidos son más densos que los líquidos: la densidad del agua líquida sobre 0ºC es mayor que la del hielo. En estado líquido aumenta hasta alcanzar su valor máximo exactamente a 3,98ºC. A temperaturas mayores que esa se comporta de manera normal, vale decir, como los otros líquidos, disminuyendo su densidad cuando la temperatura aumenta. A T° menores que los 0°C, el agua se comienza a dilatar, su densidad es menor que en estado líquido, y al disminuir más la T°, nuevamente comienza a contraerse, como se observa en la siguiente tabla.

Temperatura en °C	Estado	Densidad en g/ml
100	Líquido	0.95838
15	Líquido	0.99913
10	Líquido	0.99973
5	Líquido	0.99999
3.98	Líquido	1.00000
2	Líquido	0.99995
0	Líquido	0.99987
0	Sólido	0.91700
-2	Sólido	0.91718
-4	Sólido	0.91733
-6	Sólido	0.91750

El “disolvente universal”: el agua es el líquido que más sustancias disuelve, esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias, ya que estas se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua. La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes para los seres vivos: es el medio en que transcurren las mayorías de las reacciones del metabolismo, y el aporte de nutrientes y la eliminación de desechos se realizan a través de sistemas de transporte acuosos. A medida que se aumenta la temperatura aumenta la solubilidad en el agua. Tiene una elevada constante dieléctrica, ya que al poseer moléculas bipolares, el agua es un gran medio disolvente de compuestos iónicos, como las sales minerales, y de compuestos covalentes polares como los glúcidos. Las moléculas de agua, al ser polares, se disponen alrededor de los grupos polares del soluto, llegando a desdoblar los compuestos iónicos en aniones y cationes, que quedan así rodeados por moléculas de agua. Este fenómeno se llama solvatación iónica. Más el agua no disuelve todo, como por Ej. Las grasas, aceites, celulosa, metales nobles, cuarzo y una gran cantidad de materiales de naturaleza muy diversa.

Los puentes de hidrógeno: mantienen a las moléculas fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Posee una elevada fuerza de adhesión, ya que los puentes de hidrógeno del agua son los responsables, al establecerse entre estos y otras moléculas polares, y es responsable, junto con la cohesión de la capilaridad, al cual se debe, en parte, la ascensión de la sabia bruta desde las raíces hasta las hojas. El agua posee un gran calor específico, ya que el agua absorbe grandes cantidades de calor que utiliza en romper los puentes de hidrógeno. Su temperatura desciende más lentamente que la de otros líquidos a medida que va liberando energía al enfriarse. Esta propiedad permite al citoplasma acuoso servir de protección para las moléculas orgánicas en los cambios bruscos de temperatura La razón que explica la mayor energía que es necesario aplicar para que el agua alcance su punto de ebullición, responde a la formación de estructuras más estables producto de las atracciones ejercidas por los puentes de hidrógeno. Las atracciones establecidas por estos son las que determinan la dureza del hielo y su baja densidad, que a su vez se debe a la estructura abierta del sólido, donde se ordenan las unidades H2O enlazadas entre sí por enlaces de hidrógeno.

Tiene un bajo grado de ionización: la molécula de agua es de carácter polar, por lo que el átomo de hidrógeno tiende a disociarse del átomo de oxígeno, de este modo, de algunas moléculas de agua salta un átomo de hidrógeno hacia una molécula vecina provocando la autoionización de la molécula. De cada 107 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada. H2 O  H3O + + OH- Esto explica que la concentración de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-) sea muy baja. Dado los bajos niveles de H3O+ y de OH-, si al agua se le añade un ácido o una base, aunque sea en poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. El agua interviene en todas las formas conocidas de vida, por lo que ha sido llamada el líquido de la vida, y es el único compuesto químico que se halla en la naturaleza en grandes cantidades y en los tres estados físicos. El fenómeno de auto ionización del agua provee una baja concentración de iones H+ y OH-, lo que explica su casi nula conductividad eléctrica y neutralidad desde el punto de vista ácido-base (la concentración molar de iones hidrógeno y de iones hidróxilo es de 1 x 10-7). Recuerda que el pH del agua es 7. La auto ionización se produce, entre otros factores, como consecuencia de la polaridad de las moléculas de agua. Por otra parte, el fenómeno de electrólisis del agua se basa justamente en su naturaleza eléctrica. Dicho proceso no ocurre de manera espontánea, pero puede ser producido por acción de la corriente eléctrica cuando se aplica un potencial eléctrico, suministrado por una pila o batería, a dos placas metálicas sumergidas en una disolución acuosa.

Electrólisis del agua: en este proceso se funde o se disuelve el electrolito en un determinado disolvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones (ionización). Para esto se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergida en la disolución. El electrodo conectado al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como ánodo. Cada electrodo mantiene atraídos a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos, o cationes, son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos, o aniones, se desplazan hacia el ánodo. La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos es aportada por la fuente de alimentación eléctrica. En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-). En definitiva lo que ha ocurrido es una reacción de oxidación-reducción, donde la fuente de alimentación eléctrica ha sido la encargada de aportar la energía necesaria. Para este proceso siempre se debe utilizar corriente continua.

	Propiedades físicas del agua
Punto de ebullición (a 1 atm.)	100ºC
Punto de fusión	0ºC
Densidad	1g/cc en estado líquido a 4 °C y 0,917 g/cc en estado sólido
Tensión superficial	7,3 x 10 -2 J/m2
Viscosidad	1,0 x 10 -3 kg/m seg.
conductividad eléctrica	Muy escasa
¿Regula la T°?	Muy buena, debido a su calor específico de 1 cal/gr.°C
¿Ácida o básica?	Neutra, pH 7
¿Olor, sabor, color?	Inodora, insabora e incolora
Conductividad térmica	la mejor en líquidos después del mercurio
Presión critica	217,5 atmósferas
Temperatura critica	374°C

La tensión superficial: las fuerzas de atracción y de repulsión intermolecular afectan a propiedades de la materia como el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial. Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial), y al hacerlo el líquido se comporta como si estuviera rodeadouna membrana invisible. La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos. Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie y es la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Como la esfera presenta un área mínima para un volumen dado, entonces por la acción de la tensión superficial, la tendencia de una porción de un líquido lleva a formar una esfera o a que se produzca una superficie curva o menisco cuando está en contacto un líquido con un recipiente. A la fuerza que actúa por centímetro de longitud de una película que se extiende se le llama tensión superficial del líquido, la cual actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido. La tensión superficial es numéricamente igual a la proporción de aumento de la energía superficial con el área y se mide en erg/cm2 o en dinas/cm. La energía por superficial por centímetro cuadrado se representa con la letra griega gamma.

Otra definición para la tensión superficial es la energía necesaria por unidad de área para expandir la superficie del líquido, o más concretamente, como el trabajo necesario para incrementar, a temperatura constante, la superficie de líquido en una cantidad igual al área de una cara de un cubo que contiene una masa de líquido igual a un mol de vapor. La tensión superficial disminuye al aumentar la T°, o al agregarle sustancias.

Los valores de la tensión superficial mostraron que las moléculas superficiales tienen una energía aproximadamente 25 % mayor que las que se encuentran en el interior del fluido. Este exceso de energía no se manifiesta en sistemas ordinarios debido a que el número de moléculas en la superficie es muy pequeño en comparación con el número total del sistema. En la práctica, los efectos de superficie son significativos para partículas que tienen un diámetro menor de 10-4 cm. la tensión superficial del agua es de 72,75 dinas/cm