La Molécula de Agua

Todas las sustancias en la Tierra consisten de moléculas. La molécula de agua es la molécula más abundante en la Tierra y es también una de las más únicas, lo que se hará obvio a medida que vaya leyendo. Las moléculas son formadas por piezas más pequeñas, llamadas los átomos. La molécula de agua contiene tres átomos: un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Oxígeno, la sustancia que todos respiramos, consiste de dos átomos de oxígeno. El símbolo químico del agua es H2O, donde H2 representa dos átomos de hidrógeno y el O un átomo de oxígeno. Fuerzas electromagnéticas muy fuertes sujetan los átomos dentro de la molécula.

Una atracción electromagnética paralela existe entre las moléculas individuales. Las moléculas están en constante movimiento y continuamente formando y rompiendo enlaces con otras moléculas. Bajo presiones altas y temperaturas bajas, las moléculas no se mueven tanto y generalmente forman una sustancia sólida. En este estado, la distancia entre las moléculas individuales es relativamente pequeña y la densidad de la sustancia es relativamente alta. A medida que la temperatura aumenta, o la presión disminuye, las moléculas se mueven más rápido y los enlaces se debilitan. En este punto la sustancia sólida se derrite y forma un líquido. A temperaturas aún más altas/presiones más bajas los enlaces se debilitan aún más y el estado de la molécula cambia a gas. Esto se llama el punto de ebullición. En esta etapa, la distancia entre las moléculas es grande y los enlaces intermoleculares son casi no existentes, por lo tanto los gases tienen una densidad muy baja. Los puntos de ebullición y fusión son diferentes para cada sustancia en la Tierra. Bajo niveles normales de presión y temperatura, por ejemplo, el oxígeno es un gas, mientras que el mercurio es un líquido y el oro, un sólido. Sin embargo el agua es la única sustancia que se puede encontrar naturalmente en los tres estados: hiele (sólido), agua (líquido) y vapor (gas).

Muchas de las calidades únicas del agua son debidas a los enlaces fuertes de hidrógeno entre las moléculas del agua (H2O). El átomo de hidrógeno (H2) tiene una leve carga negativa mientras que el átomo del oxígeno (O) tiene una leve carga positiva. Así, esta molécula tiene polaridad - es decir, un lado es positivo y el otro es negativo, se llama un dipolo. Similar a un imán, el hidrógeno de una molécula de agua es atraído por los átomos de oxígeno de otra molécula de agua. Ya que las moléculas de agua se están moviendo constantemente, se forman y rompen enlaces de hidrógeno cada 200 femtosegundos, que es 0.0000000000002 segundos o 5 trillones de veces por segundo. El enlace de hidrógeno es más débil que los enlaces entre los átomos dentro de una molécula, pero más fuerte que cualquier otro enlace intermolecular.

Cuando el agua se convierte en hielo forma una estructura cristalina, que impide la compresión adicional de las moléculas. Sin embargo, debido a los enlaces de hidrógeno, la densidad del agua puede ser mayor en estado líquido que estado sólido: lo que permite que el hielo flote en el agua. La densidad más alta de las moléculas de agua es aproximadamente a 4°C (39.2°F). La molécula de agua es una de las pocas moléculas que tiene su densidad más alta en el estado líquido. Si el agua no fuera más densa que el hielo, todos los lagos se congelarían por completo en las regiones más frías del mundo, pues el hielo se hundiría a la parte inferior. En el verano solamente la capa superior de estos lagos deshelaría. Puesto que la densidad más alta del agua es a 4°C, sólo la capa superior congela, la temperatura del agua debajo del hielo baja hasta 4°C y queda en estado líquido. Con la capa de hielo en la superficie, el agua no puede convertirse en hielo porque no tiene espacio suficiente para expandirse. Esto permite a las plantas y animales acuáticos sobrevivir debajo del hielo.

Otras características especiales del agua relacionadas con los enlaces de hidrógeno son la capacidad solvente y la alta tensión de superficie. El agua se conoce como uno de los solventes más universales y puede disolver casi cualquier cosa excepto sustancias hidrofóbicas tales como aceite. Las sustancias que son hidrofílicas, se disuelven fácilmente en agua. Porque las moléculas de agua son muy pequeñas, y dipolares, cualquier sustancia hidrofílica que entre en contacto con el agua y que tenga una carga positiva o negativa se disolverá. Las moléculas que tengan carga positiva formarán enlaces con el oxígeno de la molécula de agua, mientras que las que tengan carga negativa formarán enlaces de hidrógeno con los átomos de hidrógeno de la molécula de agua. Sin embargo, las moléculas apolares -ósea hidrofóbicas- como el aceite no se disuelven en agua.

La alta tensión superficial es esencial para la propiedad conocida como la capilaridad. La acción capilar es el proceso mediante el cual el agua sube a lo largo de un tubo estrecho contraponiéndose a la fuerza de la gravedad. Esto ocurre porque el agua se “pega” a los lados del tubo, y entonces la tensión de superficie tiende a enderezar la superficie que hace la subida superficial, y el agua sube cada vez más gracias a la cohesión. El proceso se repite manteniendo el flujo del agua hacia la parte superior del tubo llegando un punto donde la fuerza de gravedad ejercida sobre el agua es mayor que la fuerza adhesiva. Las plantas y los árboles utilizan este proceso cohesivo para absorber el agua y los minerales de la tierra, a través de sus raíces. La alta tensión de superficie también permite que los objetos ligeros floten en el agua. Un ejemplo de esto es el patinador de agua. Este insecto puede literalmente caminar en el agua.