El agua es una sustancia muy familiar. Sin embargo, hay veces que se comporta de forma extraña, casi ilógica:
- En estado sólido flota sobre el agua que está en estado líquido, al contrario que la mayoría de las sustancias.
- Además, es capaz de desafiar a la gravedad, llegando desde las raíces hasta las hojas en las ramas de los árboles más altos.
- También, logra disolver casi cualquier cosa que echemos en ella, ya sea sal, azúcar o cacao.
- Por último, a pesar de ser agradable e inocua cuando estamos buceando en ella, es dura y resistente cuando intentamos atravesar su superficie: por ejemplo, al tirarnos de cabeza o de plancha en la piscina.
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.
Si el hielo fuese más denso que el agua líquida, a temperaturas inferiores a 0 °C las masas de agua que forman los ecosistemas acuáticos (como los lagos) se congelarían totalmente, lo cual sería incompatible con la vida acuática tal y como la conocemos.
Fig. 2. Placas de hielo flotando sobre el agua líquida.
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.
La constante dieléctrica es una magnitud física que indica la tendencia de una sustancia a interrumpir las interacciones electrostáticas.
Antes de explicar por qué el agua es tan buen disolvente, definamos ciertos conceptos básicos que debes conocer.
Una disolución es la mezcla homogénea de una o más sustancias en estado líquido. La solubilidad es la capacidad de una sustancia —conocida como soluto— de formar una disolución en otra sustancia —conocida como disolvente—.
La solubilidad se suele determinar evaluando la concentración de soluto necesaria para saturar la disolución en un determinado disolvente.
Una disolución saturada es aquella en la que no se puede disolver más cantidad de soluto.
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.
Las sustancias solubles en agua pueden ser hidrofílicas o anfipáticas. Sin embargo, no todas las sustancias hidrofílicas son solubles: una sustancia es hidrofílica si tiene afinidad por el agua, pero puede que no sea soluble, debido a su tamaño o a otros factores, como el algodón.
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.
- La elevada capacidad dieléctrica se manifiesta especialmente en el proceso de disolución de los cristales de las sales minerales, como los cristales de cloruro de sodio (NaCl) que es la sal de mesa.
- Las moléculas de agua son capaces de establecer interacciones electroestáticas con los iones externos que forman la estructura cristalina, debilitando los enlaces iónicos del cristal, que terminan por disociarse.
- Los iones disociados son rápidamente rodeados por moléculas de agua que los aíslan e impiden que interactúen de nuevo, en un fenómeno conocido como solvatación iónica.
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.
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.
Fig. 6. La capilaridad del agua se debe a sus propiedades de cohesión y adhesión.
La capilaridad del agua permite a las plantas y árboles transportar agua y nutrientes desde sus raíces a sus hojas, en contra de la acción de la gravedad, a través de sus vasos leñosos de celulosa, una molécula hidrofílica. Cuando el agua se evapora en las hojas, los enlaces de hidrógeno de las moléculas que se disocian tiran de las otras moléculas. Gracias a la cohesión, este movimiento se transfiere desde las moléculas de agua de las hojas a las de las raíces. Mientras tanto, la fuerza de adhesión contrarresta la de la gravedad, manteniendo a las moléculas de agua adheridas a la celulosa de los vasos leñosos.
Fig. 7. Ejemplo de capilaridad en plantas.
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
La tensión superficial es un fenómeno derivado de la elevada cohesión interna del agua, que 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.
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.
La tensión superficial es la razón por la que las gotas de agua adoptan una forma esférica.
Propiedades del agua - Puntos clave
- Las moléculas de agua son moléculas polares y establecen enlaces de hidrógeno entre sí y con otras moléculas polares o cargadas.
- Las principales funciones del agua se pueden derivar de su propiedades características e incluyen funciones: de transporte, amortiguadoras, metabólicas o estructurales
- La densidad del agua en estado líquido es menor que la densidad del agua en estado sólido.
- El agua se conoce como el disolvente universal, ya que en ella se pueden disolver más sustancias (solutos) distintos que en cualquier otro líquido.
- El agua tiene una elevada cohesión molecular y fuerzas de adhesión, que explican su incompresibilidad y los fenómenos de tensión superficial y capilaridad.
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