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.
- 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.
- 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.
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