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El agua como soporte de la vida

El agua nos es tan común que nos parece que no tiene nada de particular y si nos atenemos a su simple fórmula química con dos átomos de hidrógeno enlazados covalentemente? (vea el artículo Enlaces covalentes e iónicos donde se describe con detalles este tipo de enlace) a un átomo de oxígeno, ambos, gases en condiciones normales. Pero si la analizamos más de cerca resulta ser una sustancia excepcional de características notables o únicas en algunos casos, veamos:

Estado físico:  De todos los compuestos químicos comunes presentes en la superficie de la Tierra es el único en estado líquido en las condiciones normales y su existencia es tan basta que ocupa las tres cuartas partes de la superficie del globo terrestre.

Capacidad disolvente: Tiene la capacidad de disolver otras sustancias como ninguna otra, lo que le ha valido el nombre de disolvente universal.La estabilidad de la molécula de agua es sorprendentemente alta y no corresponde a la que debía tener un compuesto con esa configuración química. Aun a temperaturas muy altas las moléculas se han disociado en una pequeña extensión.

Punto de ebullición:  El punto de ebullición del agua es "demasiado" alto (100° C) si lo comparamos con el de otras sustancias de fórmula química similar, como el cloruro (HCl) o fluoruro de hidrógeno (HF) que son gases a temperatura ambiente.

Densisdad:  La densidad del agua (masa por unidad de volumen) es alta teniendo en cuenta los elementos que la componen.El calor específico ? del agua es también muy alto para la simplicidad de su molécula, unas 9 veces más alta que la del pesado hierro. El calor latente ? es más alto de lo que podía esperarse.

Dadas estas virtudes no es casualidad que la vida haya surgido en los océanos primitivos en donde el agua sirvió de medio de soporte en el que otras muchas sustancias podían moverse e interactuar con relativa libertad. La vida evolucionó en el agua unos 2000 millones de años antes de comenzar a invadir los terrenos, y aun hoy la vida está indisolublemente ligada al agua formando parte alrededor del 75-80% de la masa de los organismos vivos. La importancia del agua en la existencia de la vida es fácil de apreciar en la notable diferencia que existe entre la diversidad y abundancia de seres vivos en las pluvisilvas tropicales y los desiertos casi sin agua.

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Figura 1. Representación de la molécula de agua mostrando la polaridad.

¿Por qué el agua es tan especial?

Para encontrar la respuesta a esta pregunta debemos entrar en la naturaleza de la molécula de agua. Debemos empezar por decir que la molécula de agua es polar debido a la diferencia en la electronegatividad entre el oxígeno y el hidrógeno. En las moléculas polares un "extremo" de la molécula presenta una carga negativa remanente debido a que los electrones de valencia que participan en el enlace covalente se comparten de manera desigual entre ambos átomos, mientras el otro "extremo" resulta cargado positivamente. Estas cargas se representan con la letra griega minúscula delta (δ) y en la inmediaciones del átomo de oxígeno en la molécula de agua existe una carga δ- mientras que alrededor de los átomos de hidrógeno una carga δ+ (véalo en la figura 1).

La molécula del agua, tal y como se ha visto arriba, tiene una zona cargada con δ+ en las inmediaciones de los átomos de hidrógeno y otra cargada δ- del lado del átomo de oxígeno. ¿Qué pasa si ponemos un grupo de moléculas de agua juntas? Las zonas con carga de diferente signo se atraen mutuamente lo que conduce a que las moléculas tiendan a acercarse unas a otras debido a estas fuerzas intermoleculares. Las fuerzas intermoleculares entre moléculas polares se llaman fuerzas dipolares o fuerzas dipolo-dipolo.

Como la fuerza dipolar de la molécula del agua es grande (dada la elevada electronegatividad del oxígeno), la relativa atracción intermolecular es también grande, o dicho de otro modo las moléculas están unidas por una gran fuerza cohesiva. Este hecho da cierta justificación del por que el agua, formada por dos elementos gaseosos, uno de los cuales es el más ligero de todos (el hidrógeno), tenga unas propiedades físicas que en realidad no podían esperarse de su fórmula química. Pero, a pesar del momento dipolar relativamente grande del agua, este no parece ser el único factor que explica sus "extrañas" propiedades físicas ya que, por ejemplo, el fluoruro de hidrógeno (HF) que tiene un momento dipolar más elevado en su molécula es un gas en condiciones normales. Hay algo más en la molécula de agua y lo veremos a continuación.

figura 17
Figura 2. Concentración de electrones en el átomo de oxígeno.


figura 18
 
Figura 3. Puentes de hidrógeno en la molécula de agua.


Para encontrar la razón echemos un vistazo de cerca al enlace H-O, cuando el oxígeno y el hidrógeno se enlazan de forma covalente el átomo de oxígeno se "apropia" (dada su elevada electronegatividad) del par de electrones compartidos generando un δ+ en el átomo de hidrógeno, y esto no es sorpresa ya lo sabíamos.

Sin embargo, hay algo único en el átomo de hidrógeno; este tiene solamente un electrón; del intercambio desigual con el átomo de oxígeno el núcleo del hidrógeno queda casi  "desnudo" con su protón al descubierto (figura 2). Bajo estas condiciones el protón del hidrógeno se hace "hambriento" de electrones, y la presa que tiene al alcance son los electrones pareados de los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas.

La distancia entre las moléculas de agua se hace muy corta, primero por la fuerte atracción que el protón casi desnudo ejerce sobre los electrones pareados del átomo de oxígeno de la otra molécula; y segundo porque el átomo de hidrógeno no tiene electrones que impidan el acercamiento, no hay cargas del mismo signo que se repelen. Esta fuerza atractiva adicional se conoce con el nombre de puente de hidrógeno y se representa usualmente con una linea de puntos entre los átomos involucrados (figura 3). La palabra "puente" se usa en lugar de atracción dipolo-dipolo porque esta fuerza de atracción en muy grande y se acerca a la fuerza de un enlace covalente. Este "enlace" adicional molécula-molécula en el agua proporcionado por los puentes de hidrógeno se suma a la atracción normal dipolo-dipolo entre estas y explica la naturaleza sui géneris del agua.

Analicemos ahora las propiedades del agua

Sabemos que el agua es imprescindible para la vida y esta situación está vinculada estrechamente con sus propiedades, veamos:

El agua es estable físicamente: debido a que los puentes de hidrógeno mantienen apretadas las moléculas y esto permite, por ejemplo, que las hojas puedan "tirar" del agua en las raíces o que las semillas se hinchen y germinen.

Su elevado calor específico: se explica ya que los puentes de hidrógeno absorben energía para romperse y liberan energía cuando se forman de modo que se convierten en almacenes energéticos adicionales comparado con las moléculas que no forman tales puentes. Esta propiedad impide cambios bruscos de la temperatura de los organismos y del entorno, por ejemplo, del mar o en el interior de las células cuando en ellas se desarrollan reacciones que generan calor.

El alto calor latente: se debe a que los puentes de hidrógeno tendrán que ser rotos para separar las moléculas y convertir el agua en vapor. La utilidad de esta capacidad para la vida radica en el hecho de que la evaporación enfría notablemente la superficie de los cuerpos y no es entonces casualidad que, por ejemplo, sudemos cuando hace mucho calor.

La baja densidad del hielo: el que flota en el agua también se explica por los puentes de hidrógeno. En el agua líquida las moléculas se mueven al azar constantemente lo que implica que los puentes de hidrógeno entre ellas se rompen y forman todo el tiempo entre unas y otras moléculas y esto permite que se ubiquen como promedio más próximas. Cuando el agua solidifica se forma una red cristalina en la cual la posición y la distancia entre las moléculas es fija, como está red se formó con moléculas casi estacionarias los puentes de hidrógeno quedaron finalmente "congelados" espaciando las moléculas a una distancia mayor que en el agua líquida. Para la vida esto representa una gran ventaja, por ejemplo, los lagos y mares nunca se congelan completamente ya que el hielo formado siempre estará en la superficie ¡se imagina que el mar se congele desde el fondo hacia arriba a medida que se forma el hielo en la superficie y se hunde!

La fuerza disolvente: enorme del agua se explica por su polaridad, que resulta en atracción entre las moléculas del agua y los iones u otros compuestos polares haciéndolos solubles (esta propiedad se explica en detalle en el artículo Soluciones). La disolución de muchas sustancias es clave para su reacción química y su desplazamiento dentro de las células.

La fuerza de rechazo: que ejerce el agua al ser polar a las moléculas no polares como el aceite que no presenta puentes de hidrógeno hace que estas sustancias al contacto con el agua sean excluidas y se vean forzadas a asociarse entre ellas formando estructuras apretadas por el agua. Por tal motivo se les llama sustancias hidrofóbicas. La tendencia de las moléculas hidrofóbicas a formar agregados en el agua causa que tales moléculas adquieran una forma particular, y muchos cambios durante la evolución de la vida reflejan modificaciones en la forma de las moléculas que pueden ser inducidos por este procedimiento.


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