Propiedades del agua

Propiedades y funciones del agua

¿A qué se deben estas propiedades tan peculiares del agua? Si has leído nuestro artículo sobre las moléculas de agua, probablemente conoces la respuesta:

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

Si quieres saber por qué el agua es una molécula polar y establece enlaces de hidrógeno, te sugiero que le eches un vistazo al artículo sobre moléculas de agua y después sigas leyendo este artículo. Para el que ya lo haya hecho, aquí va un pequeño repaso.

• 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.
• La presencia de regiones de cargas opuestas permite que las moléculas de agua interaccionen entre ellas y con otras moléculas polares, mediante fuerzas electroestáticas, que se conocen como enlaces de hidrógeno.

Fig. 1. La polaridad del agua permite que se formen enlaces de hidrógeno entre sus moléculas.

Estas dos características (polaridad y enlaces de hidrógeno) otorgan al agua una serie de propiedades físico-químicas únicas que explican sus funciones y su importancia para la vida. Como las funciones del agua están íntimamente ligadas a sus propiedades, a continuación repasamos algunas de las más importantes y descubrimos cómo permiten que el agua realice sus funciones principales, que incluyen funciones de transporte, funciones amortiguadoras, funciones metabólicas o funciones estructurales.

Propiedades del agua: Densidad del agua

Una de las propiedades características del agua es que su densidad en estado sólido es menor que en estado líquido. Esto permite al agua sólida flotar sobre el agua líquida, y explica por qué las masas de agua se congelan desde la superficie.

Esta propiedad del agua es fundamental para la vida acuática: en ecosistemas acuáticos, cuando las temperaturas disminuyen por debajo de la temperatura de solidificación de 0 °C —la temperatura a la que el agua se congela— el agua se empieza a congelar desde la superficie. Entonces, la capa de hielo flota sobre el agua líquida, actuando como un aislante térmico y manteniendo el agua a una temperatura superior a 0 °C.

Los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las moléculas de agua entre sí son enlaces débiles. En el agua líquida se forman y se rompen de forma continua. Esto quiere decir que, en cualquier momento dado, las moléculas de agua están unidas entre sí por enlaces de hidrógeno, de tal manera que si pudiésemos sacarles una fotografía, podríamos distinguir una estructura organizada pero dinámica. Como veremos a continuación, esto explica la elevada cohesión del agua, pero también explica en cierta manera las peculiares variaciones de densidad del agua a distintas temperaturas.

El agua se mantiene en estado líquido en un rango de temperaturas entre 0 °C y 100 °C. Como toda sustancia, la densidad del agua varía con la temperatura. Por ejemplo, a 25 °C su densidad es 0.9950 g/ml y a 3.98 °C alcanza su densidad máxima de 1 g/ml. Sin embargo, una vez que se solidifica y se transforma en hielo, su densidad es de 0,917 g/ml.

¿Cómo explicamos, entonces, que el hielo sea menos denso que el agua líquida? Centrémonos de nuevo en la interacción de las moléculas de agua. En estado líquido, como hemos mencionado, las moléculas de agua interaccionan entre sí mediante enlaces de hidrógeno transitorios. Cuando el agua se congela, es como si sacásemos una fotografía del agua líquida que detiene el tiempo. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas se vuelven permanentes, creando una estructura reticular, similar a los cristales que forman los compuestos iónicos, donde las moléculas de agua se encuentran a una distancia fija una de otra que es mayor que en estado líquido. Esto significa que el hielo tienen mayor volumen que la misma cantidad de masa en forma líquida y, por tanto, tiene menor densidad.

Fig. 3. Estructura molecular del agua líquida y el hielo.

Propiedades del agua: Solubilidad del agua

El agua se conoce como el disolvente universal, ya que en ella se pueden disolver más sustancias (solutos) distintas que en cualquier otro líquido. Esta propiedad viene dada por el carácter polar del agua y su elevada constante dieléctrica.

Antes de explicar por qué el agua es tan buen disolvente, definamos ciertos conceptos básicos que debes conocer.

Dependiendo de la solubilidad de un soluto en un medio acuoso, podemos distinguir:

• Sustancias solubles en agua, de las que existen dos tipos:
  • Sustancias hidrofílicas: sustancias con afinidad por disolventes acuosos.
  • Sustancias anfipáticas: sustancias con afinidad por disolventes acuosos y orgánicos.
• Sustancias insolubles en agua, como las sustancias hidrofóbicas.

Existen diferentes tipos de disoluciones acuosas dependiendo de la naturaleza química del soluto. Veamos cuáles son:

• Disoluciones moleculares: los solutos son biomoléculas orgánicas polares o con carga, como las proteínas o los glúcidos.
• Disoluciones iónicas: los solutos son biomoléculas inorgánicas de naturaleza iónica, como las sales minerales.

Con esta base de conocimiento, y lo explicado en el artículo sobre la molécula de agua, podemos explicar por qué el agua es tan buen disolvente. La naturaleza polar del agua, con sus regiones de carga positiva y negativa, es capaz de interactuar electroestáticamente con iones y formar puentes de hidrógeno con moléculas polares o con carga. De esta forma, el agua separa las moléculas del soluto, permitiendo que estas pasen a formar parte de la estructura reticular del agua, y, por tanto, se disuelvan.

Fig. 4. Las moléculas polares del agua disuelven moléculas cargadas o polares estableciendo interacciones electroestáticas.

Fig. 5. Solvatación iónica del cloruro de sodio (NaCl).

Su cualidad de disolvente universal otorga al agua funciones esenciales para la vida:

• El agua sirve de medio para la realización de casi todas las reacciones metabólicas y, en ciertos casos, participa directamente de las reacciones, como en las reacciones de hidrólisis.
• El agua también se utiliza como medio de transporte, ya que permite la movilidad de numerosas sustancias disueltas, como nutrientes o sustancias de desecho.

Propiedades del agua: Cohesión y adhesión del agua

Como hemos mencionado anteriormente, las moléculas de agua interaccionan mediante enlaces de hidrógeno que se forman y se rompen de forma continua. Esto quiere decir que, en cualquier momento dado, las moléculas de agua están unidas entre sí por numerosos enlaces de hidrógeno. Esta característica estructural otorga al agua una elevada cohesión molecular. Las moléculas de agua también pueden establecer enlaces de hidrógeno con moléculas de otras sustancias cargadas o polares, lo cual da al agua una elevada fuerza de adhesión.

La incompresibilidad y la tensión superficial del agua (fenómeno del cual hablaremos a continuación) son el resultado de su elevada cohesión. Por otro lado, el fenómeno de capilaridad es consecuencia de la elevada cohesión y adhesión del agua.

Las principales funciones del agua asociadas a la elevada cohesión y capacidad de adhesión del agua son las siguientes:

• La incompresibilidad del agua le permite actuar como esqueleto hidrostático en ciertos organismos y como amortiguador mecánico —como en las articulaciones de los vertebrados, donde el liquido sinovial previene el contacto entre los huesos—.
• El fenómeno de capilaridad permite al agua actuar como un medio de transporte de nutrientes en las plantas.

Propiedades del agua: Tensión superficial del agua

Este fenómeno se debe a que, en la interfaz agua-aire, las moléculas de agua —que normalmente establecen enlaces de hidrógeno entre ellas en todas direcciones— solo pueden establecer enlaces con las moléculas de agua que se encuentran por debajo de ellas y en sus laterales (las moléculas de agua en la superficie no tienen otras moléculas de agua por encima de ellas). 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.