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Moléculas de Agua

El agua es una de las moléculas más abundantes, y tiene una estructura y unas propiedades únicas que la convierten en una de las moléculas más importantes para mantener la vida en la Tierra.

¿Cuáles son esas características y propiedades? En este artículo hablaremos de las moléculas de agua y detallaremos su composición, estructura, propiedades y funciones en biología.

Estructura de las moléculas de agua

El agua es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno unidos mediante enlaces covalentes a un átomo de oxígeno (H-O-H). La fórmula química de una molécula de agua es H₂O.

Un enlace covalente se forma cuando los átomos comparten electrones para llenar sus capas de electrones de valencia. Los enlaces covalentes pueden ser polares o no polares, dependiendo de la electronegatividad de los átomos:

  • Enlace covalente no polar: los electrones se reparten por igual.
  • Enlace covalente polar: los electrones se reparten de forma desigual.

La electronegatividad de los átomos es la tendencia de los átomos de atraer electrones cuando se encuentra en un enlace.

El agua es una molécula polar: los átomos de hidrógeno y oxígeno de la molécula comparten los electrones de forma desigual, debido a las diferencias de electronegatividad. Como resultado, los átomos de hidrógeno tienen una carga ligeramente positiva (δ+). mientras que el oxígeno tiene una carga ligeramente negativa (δ-). En la siguiente figura podemos observar la estructura del agua y la distribución espacial de sus átomos y cargas.

A continuación, examinamos en mayor detalle la polaridad del agua.

Moléculas de agua: el agua es una molécula polar

Los átomos de hidrógeno están formados por un núcleo de un único protón con carga positiva y una corteza electrónica de un electrón con carga negativa, que orbita alrededor del núcleo. Por otro lado, los átomos de oxígeno contienen un núcleo de ocho protones con carga positiva, ocho neutrones sin carga y una corteza electrónica de ocho electrones con carga negativa, que orbitan alrededor del núcleo.

La corteza electrónica es el conjunto de electrones y sus distribución espacial.

La molécula de agua se forma cuando dos átomos de hidrógeno comparten electrones con un átomo de oxígeno mediante enlaces covalentes con el fin de llenar las capas de electrones de valencia de ambos átomos. El átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno, por lo que los electrones son atraídos por el oxígeno y repelidos por el hidrógeno. Como resultado, los átomos de oxígeno tienen una carga parcial negativa (δ-), mientras que los átomos de hidrógeno tienen una carga parcial positiva (δ+), lo que convierte al agua en una molécula polar.

Los diez electrones que forman una molécula de agua se distribuyen de la siguiente manera:

  • tres pares (6) asociado al átomo de oxígeno;
  • dos pares (4) que forman los dos enlaces covalentes O-H.

Los dos pares de electrones que forman los enlaces covalentes se repelen entre sí, dando a la molécula de agua su estructura doblada o en forma de V, con los ángulos de enlace H-O-H a aproximadamente 104,5° (Figura 1). La forma de V de la molécula de agua es importante, porque garantiza que sus regiones con carga positiva y con carga negativa no se encuentren y se anulen mutuamente.

Moléculas de agua: puente de hidrógeno

Dado que las moléculas de agua tienen zonas de carga positiva y negativa, se atraen entre sí y forman enlaces que denominamos puentes de hidrógeno o enlaces de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno son un tipo de enlace débil, por lo que se rompen y se forman continuamente. Sin embargo, cuando están presentes en gran número como en el agua, los enlaces de hidrógeno forman una estructura reticular que proporciona un elevado nivel de cohesión. Cada molécula de agua puede formar cuatro puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua: dos por cada zona de carga negativa (oxígeno) y una por cada zona de carga positiva (hidrógenos).

Funciones de las moléculas de agua en biología

El agua tiene numerosas funciones:

  • Metabolito: el agua actúa como metabolito en muchas reacciones metabólicas, como la condensación y la hidrólisis. Por ejemplo, la condensación de aminoácidos da lugar a la formación de varias enzimas importantes (proteínas).
  • Disolvente: Significa que ciertas sustancias pueden disolverse en el agua. Esta propiedad es muy útil, porque la mayoría de reacciones metabólicas se producen en solución; es decir, con los reactivos disueltos.
  • Transporte de agua: las moléculas de agua tienen una propiedad especial llamada cohesión. Esto quiere decir que se pegan entre sí, lo que facilita el transporte de agua. La cohesión es esencial en las plantas, porque el agua se adhiere para ser arrastrada en columnas a través de los vasos del xilema a diferentes regiones de la planta. Además, el agua puede entrar y salir de las células por ósmosis.
  • Control de la temperatura: el agua puede ayudar a controlar la temperatura, ya que tiene un elevado calor específico y calor latente de vaporización.

La ósmosis del agua es el movimiento de las moléculas de agua desde una zona de alta concentración a otra de baja concentración, a través de una membrana semipermeable. La ósmosis es un fenómeno de difusión pasiva.

Algunas de estas funciones se analizan en más detalle en los siguientes apartados.

Las moléculas de agua como metabolito

Recuerda que las reacciones metabólicas no son más que procesos químicos que tienen lugar en los organismos vivos para mantenerlos con vida. Una de las principales funciones biológicas de las moléculas de agua es actuar como metabolito.

Muchas de estas reacciones implican una reacción de condensación o hidrólisis. El agua desempeña aquí un papel importante, porque las reacciones de hidrólisis utilizan una molécula de agua al romper un enlace (como cuando se rompen los enlaces de alta energía del adenosín trifosfato). Por otro lado, las reacciones de condensación liberan una molécula de agua cuando se forma un nuevo enlace; por ejemplo, en la reacción de condensación que une los aminoácidos para formar polipéptidos.

Las moléculas de agua como disolvente

Como el agua es una molécula polar, otras moléculas polares pueden ser disueltas en ella como la glucosa y muchos compuestos iónicos. Las cargas negativas de los solutos polares atraen a la región de carga positiva de la molécula de agua, y viceversa. Por tanto, las moléculas polares del soluto quedan rodeadas por moléculas de agua; es decir, se disuelven.

Tomemos el ejemplo del cloruro de sodio (NaCl) disuelto en agua:

Los iones Na+ son positivos, por lo que el átomo de oxígeno parcialmente negativo se orientan hacia los iones Na+ cuando las moléculas de agua rodean a la molécula de NaCl. Por otro lado, los iones Cl- son negativos, por lo que los átomos de hidrógeno parcialmente positivos se orientan hacia los iones Cl- cuando las moléculas de agua rodean a la molécula de NaCl.

Las moléculas de agua: calor latente de vaporización del agua

Cuando el agua se expone a suficiente calor, puede evaporarse. El proceso por el que esto ocurre es el mismo que el proceso de ebullición del agua. En primer lugar, se transfiere energía térmica a las moléculas de agua, lo que hace que se muevan a mayor velocidad. Al cabo de un tiempo, las moléculas de agua tienen demasiada energía para seguir unidas como líquido y se convierten en moléculas gaseosas; es decir, en vapor de agua. Entonces, estas flotan hacia la superficie del líquido, en forma de burbujas, para poder escapar y viajar en el aire.

El calor latente de vaporización es la cantidad de energía térmica necesaria para transformar un gramo de una sustancia líquida en gas, a temperatura constante.

Para evaporar el agua se requiere mucha energía (calor). Esto, porque se necesita llegar a romper los numerosos enlaces de hidrógeno entre las moléculas, lo que requiere un elevado calor latente de vaporización. Por tanto, el agua se utiliza para controlar la temperatura del organismo.

Propiedades de las moléculas de agua

El agua posee numerosas propiedades que la convierten en una molécula fundamental para la vida. Algunas de las propiedades más importantes que caracterizan a las moléculas de agua son:

  • El calor específico o capacidad calorífica específica
  • La cohesión y la adhesión

Si quieres saber más sobre las propiedades especiales del agua puedes leer nuestro articulo sobre las propiedades del agua.

Calor específico de las moléculas de agua

El calor específico, tambien conocido como la capacidad calorífica específica, es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado.

El agua tiene una alta capacidad calorífica específica: se necesita mucha energía para elevar la temperatura del agua porque los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua pueden absorber grandes cantidades de energía. En consecuencia, el agua actúa como un amortiguador térmico: resiste los cambios de temperatura más que otras sustancias.

Como la temperatura del agua no cambia rápidamente, puede ser útil en los organismos vivos.

  1. Por ejemplo, el agua dentro de nuestro cuerpo tiende a permanecer a una temperatura estable, lo que nos permite mantener una temperatura corporal interna constante.
  2. Otro buen ejemplo son los hábitats acuáticos; la temperatura suele ser más estable en el agua que en la tierra, lo que constituye un entorno ideal para algunos organismos.

Cohesión y adhesión de las moléculas de agua

Cuando decimos que el agua es cohesiva, lo que queremos decir es que las moléculas de agua tienden a pegarse entre ellas porque son polares. Una fuerte cohesión implica que el agua tiene una alta tensión superficial cuando entra en contacto con el aire.

Gracias a esta propiedad, ciertos insectos, como los conocidos zapateros, pueden caminar por la superficie del agua. Esta propiedad también permite que el agua fluya, por lo que es ideal para transportar sustancias. Algunos ejemplos son el movimiento a través de los vasos sanguíneos de los animales o las columnas de agua en el xilema de las plantas.

La adhesión se refiere a la capacidad del agua de adherirse a otras sustancias o superficies.

Gracias a esta propiedad, el agua es capaz de adherirse a las paredes de los vasos del xilema, para ascender por la planta hacia las hojas, donde se evapora.

Moléculas de Agua - Puntos clave

  • Una molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, con un reparto desigual de electrones, lo que hace que las moléculas de agua sean polares y puedan formar enlaces de hidrógeno.
  • El agua es un metabolito importante, ya que las moléculas de agua se utilizan y se liberan durante las reacciones de hidrólisis y condensación.
  • El agua es un buen disolvente, debido a sus propiedades polares, lo que resulta útil para el transporte de sustancias y para permitir que se produzcan reacciones químicas
  • El agua tiene una elevada capacidad calorífica específica, debido a sus numerosos enlaces de hidrógeno. Esta propiedad le permite crear un hábitat adecuado para algunos organismos o garantiza que muchos organismos puedan mantener una temperatura interna constante.
  • El agua tiene un elevado calor latente de vaporización (también debido a sus numerosos enlaces de hidrógeno), lo que ayuda a controlar la temperatura con una pérdida de agua mínima.

Preguntas frecuentes sobre Moléculas de Agua

La molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por un enlace covalente.

Los electrones de la molecula de agua no están distribuidos de manera uniforme. Los átomos de oxígeno atraen los electrones con más fuerza que los de hidrógeno. Como resultado, los átomos de hidrógeno tienen una carga ligeramente positiva (δ+) y los de oxígeno tienen una carga ligeramente negativa (δ-). 

Algunas de las principales características de la molécula de agua son: 

  • Elevado calor latente de vaporización
  • Alto calor específico
  • Elevada cohesión molecular 
  • Elevada tensión superficial
  • Elevada fuerza de adhesión

El agua tiene numerosas funciones como:

 

  • Metabolito: El agua actúa como metabolito en muchas reacciones metabólicas.
  • Disolvente: Muchas sustancias pueden disolverse en el agua. 
  • Transporte de agua: El agua puede entrar y salir de las células por ósmosis.
  • Control de la temperatura: El agua puede actuar como un amortiguador térmico. 

Cada molécula de agua puede formar cuatro puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua: dos por cada zona de carga negativa (oxígeno) y una por cada zona positiva (hidrógenos). Los puentes de hidrógeno son un tipo de enlace débil, por lo que se rompen y reforman continuamente. Los enlaces de hidrógeno forman una estructura reticular que proporciona un elevado nivel de cohesión al agua. 

Cuestionario final de Moléculas de Agua

Pregunta

¿Cuáles son las cuatro funciones clave del agua que debemos conocer para el nivel A de Biología?

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Answer

El agua puede actuar como metabolito y como disolvente. Es clave durante el transporte y también en el control de la temperatura.

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Pregunta

¿Por qué el reparto de electrones entre los átomos de una molécula de agua es desigual?

Mostrar respuesta

Answer

Los átomos de oxígeno atraen los electrones con más fuerza que los de hidrógeno.

Show question

Pregunta

¿Por qué el agua se considera una molécula polar?

Mostrar respuesta

Answer

Los átomos de hidrógeno tienen una carga ligeramente positiva (δ+). El oxígeno tiene electrones negativos no compartidos, lo que deja una carga ligeramente negativa (δ-).

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Pregunta

¿Por qué las moleculas de agua generan enlaces de hidrógeno?

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Answer

Los átomos de oxígeno parcialmente negativos son atraídos por los átomos de hidrógeno parcialmente positivos.

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Pregunta

¿Cómo participa el agua en los procesos metabólicos?

Mostrar respuesta

Answer

Muchos de los procesos químicos que tienen lugar en los organismos vivos requieren reacciones de condensación o de hidrólisis, y ambas implican el uso de una molécula de agua

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Pregunta

¿Qué es la reacción de condensación?

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Answer

Una reacción que libera una molécula de agua al formarse un nuevo enlace; por ejemplo, durante la unión de aminoácidos para formar polipéptidos.

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Pregunta

¿Qué es una reacción de hidrólisis?

Mostrar respuesta

Answer

Una reacción que utiliza una molécula de agua al romper un enlace; por ejemplo, durante la liberación de energía de la molécula biológica ATP.

Show question

Pregunta

¿Qué significa que el agua tiene un alto calor latente de vaporización?

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Answer

Se necesita mucha energía para vaporizar el agua; es decir, para que pase de líquido a gas.

Show question

Pregunta

¿Por qué la propiedad de tener un alto calor latente de vaporización hace que el agua sea útil?

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Answer

Significa que el agua puede utilizarse para controlar la temperatura. Por ejemplo, el ser humano suda para refrescarse.

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Pregunta

¿A qué nos referimos cuando decimos que el agua tiene una alta capacidad calorífica específica?

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Answer

A que se necesita mucha energía para aumentar la temperatura del agua.

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Pregunta

¿Qué propiedad del agua hace que tenga una alta capacidad calorífica específica?

Mostrar respuesta

Answer

El agua tiene enlaces de hidrógeno entre sus moléculas, y para romperlos se necesita mucha energía.

Show question

Pregunta

¿Cómo actúa el agua como un buen disolvente?

Mostrar respuesta

Answer

El agua es una molécula polar: puede disolver compuestos iónicos y sustancias polares con enlaces covalentes, como la glucosa.

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Pregunta

¿Cómo disuelve el agua los compuestos iónicos?

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Answer

La región de carga positiva de la molécula de agua será atraída por el ion negativo y viceversa. Por lo tanto, los iones se rodean de moléculas de agua y así se disuelven.

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Pregunta

¿Qué significa que el agua es cohesiva?

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Answer

Que todas las moléculas de agua tienden a pegarse

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Pregunta

¿Qué dos propiedades del agua se derivan del hecho de que sea cohesiva?

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Answer

Una fuerte cohesión significa que el agua tiene una alta tensión superficial y permite que el agua fluya, lo que la hace ideal para transportar sustancias.

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Pregunta

Pon algunos ejemplos en los que la cohesión de las moléculas de agua ayude al transporte.

Mostrar respuesta

Answer

Por ejemplo, el movimiento de sustancias a través de los vasos sanguíneos de los animales o a través de las columnas de agua en el xilema de las plantas.

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Pregunta

¿A qué se deben las peculiares propiedades del agua?

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Answer

Las moléculas de agua son moléculas polares. Las moléculas de agua establecen enlaces o puentes de hidrógeno.

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Pregunta

¿Qué quiere decir que las moléculas de agua sean polares?

Mostrar respuesta

Answer

Las moléculas de agua son polares porque tienen regiones de carga positiva y negativa, debido a la distribución desigual de los electrones compartidos, al formar enlaces covalentes entre el átomo de oxígeno y los átomos de hidrógeno.

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Pregunta

Nombra tres funciones biológicas del agua:

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Answer

Tres de las siguientes: 

  • Funciones de transporte. 
  • Funciones amortiguadoras. 
  • Funciones metabólicas.
  •  Funciones estructurales.

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Pregunta

¿Verdadero o Falso?: La densidad del agua fría es mayor que la del agua caliente

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Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o Falso?: La densidad del hielo es mayor que la del agua líquida.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

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Pregunta

¿Verdadero o Falso?: La constante dieléctrica del agua es pequeña.

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Answer

Verdadero.

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Pregunta

¿Qué tipos de sustancias existen, dependiendo de su afinidad por el agua?

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Answer

Sustancias hidrofílicas, hidrofóbicas y anfipáticas.

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Pregunta

¿Qué dos tipos de disoluciones existen?

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Answer

Disoluciones moleculares y disoluciones iónicas.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o Falso?: El agua participa en algunas reacciones metabólicas

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Qué fenómenos derivan de la elevada cohesión y fuerzas de adhesión del agua?

Mostrar respuesta

Answer

La incompresibilidad, la tensión superficial y la capilaridad.

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Pregunta

¿Que es la capilaridad?

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Answer

La capilaridad es el fenómeno por el cual el agua es capaz de ascender por conductos de pequeño diámetro, en contra de la fuerza de la gravedad, gracias a las fuerzas de adhesión y a su elevada cohesión molecular.

Show question

Pregunta

¿Qué es la tensión superficial?

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Answer

La tensión superficial es un fenómeno derivado de la elevada cohesión interna del agua. Hace que, en la interfaz aire-agua, la superficie del agua se comporte como una tensa membrana que se puede deformar sin romperse cuando se aplican pequeñas fuerzas sobre ella.

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Pregunta

¿A que se debe la tensión superficial?

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Answer

Este fenómeno se debe a que en la interfaz agua-aire, las moléculas de agua, que normalmente establecen enlaces de hidrógeno con otras moléculas en todas direcciones, pueden solo establecer enlaces con las moléculas de agua que se encuentran por debajo de ellas y en sus laterales. Por tanto, las moléculas de la superficie se ven sometidas a fuerzas no equilibradas, que tiran de ellas hacia el interior y que se manifiestan como tensión superficial.

Show question

Pregunta

¿Qué funciones biológicas se derivan de la incompresibiliad del agua?

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Answer

La incompresibilidad del agua le permite actuar como esqueleto hidroestático, en ciertos organismos; también, como amortiguador mecánico, como en las artículaciones de los vertebrados, donde el liquido sinovial previene el contacto entre los huesos.

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Pregunta

¿Verdadero o Falso?: El agua se conoce como el disolvente universal.

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Answer

Verdadero.

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