La molécula de agua es un tetraedro irregular ligeramente sesgado con un oxígeno en su centro

                Agua[pic 1]

        “La molécula de agua es un tetraedro irregular ligeramente sesgado con un oxígeno en su centro” según Peter J. Kennelly y Víctor W. Rodwell. En otras palabras, el agua está formada por un átomo de oxigeno y dos de hidrógeno unidos por enlaces covalentes, el oxígeno se encuentra en forma híbrida sp3 y ocupa el centro, los dos hidrógenos y los electrones no compartidos de los orbitales ocupan las esquinas del tetraedro, el cuál tiene un ángulo de 104,5º  entre los hidrógenos (los tetraedros ideales tienen un ángulo de 109.5º , el hielo tiene un ángulo de 108º y los puentes de hidrógeno forman cristales más estables lo que explica la densidad del hielo). De este modo el agua es un dipolo, o sea una molécula en forma de V con carga eléctrica distribuida asimétricamente que le permite solvatar moléculas orgánicas e inorgánicas. El oxígeno atrae los electrones fuertemente y el hidrógeno los atrae débilmente por esto los electrones quedan más cercanos al oxígeno que al hidrógeno.[pic 2][pic 3]

        ¿Por qué el agua es un dipolo?, porque cuando se forma la molécula de agua, los dos hidrógenos ceden su electrón al oxígeno y así se forma una carga parcial negativa del lado del oxígeno y una zona parcial positiva del lado de los hidrógenos. El carácter de dipolo es importante porque hace que la parte positiva (los hidrógenos) de una molécula de agua se acerque a la parte negativa (el oxígeno) y se forme un puente de hidrógeno (a una distancia de 2.7 a 3 Å), entonces una molécula de agua gracias a su disposición tetraédrica puede unirse hasta con cuatro moléculas de agua, por lo que las moléculas de agua forman redes cristalinas (agua líquida) y como todas las moléculas están en movimiento no hay estructuras permanentes, además la debilidad de los puentes de hidrógeno desaparece cuando existe un gran número de estos. Se necesitan 4.5 Kcal mol -1 para disociar un puente de hidrógeno, eso es muy bajo si se compara con la energía que se necesita para romper un enlace covalente común, que es de 100 Kcal mol -1. [pic 4][pic 5]

Propiedades del agua

1) El agua como el disolvente universal

        El agua con su estructura y polaridad reducen la fuerza de atracción entre partículas de carga opuesta o hacen menor la fuerza de repulsión entre partículas con cargas iguales, para este estudio se utiliza la descripción cuantitativa de la ley de Coulomb que parafraseando explica “la fuerza de interacción entre partículas con cargas opuestas es inversamente proporcional a la constante dieléctrica del medio circundante”, y la constante dieléctrica es la cuantificación de la capacidad disolvente de algunos líquidos. La constante dieléctrica se obtiene dividiendo la fuerza entre dos cargas en el vacío entre la fuerza entre las dos cargas en el medio. La constante dieléctrica del agua es de 78,5 (la más alta), por esto se le ha dado asignado el apodo “solvente universal”. Un ejemplo es, si disolvemos cloruro de sodio (NaCl) en agua, las moléculas de ésta rodean al sodio (Na+) y al cloruro (Cl-), la parte positiva del agua se pone en contacto con el cloruro (Cl-) y la negativa con el sodio (Na+) y así se constituye una solución verdadera. [pic 6][pic 7]

        Algo importante que destacar es que Los compuestos hidrófobos (no polares) como los lípidos (grasas) no interaccionan con el agua, sino que cuando entran en contacto se forma una envoltura alrededor del soluto llamada “clarato”, por ejemplo cuando colocamos aceite en agua, observamos que al entrar en contacto se separa en “pelotas” por así llamarlos y luego a los pocos segundo sube y todas esas pelotas se aglutinan en la superficie formando una única capa de aceite, pues la tendencia de los grupos hidrofóbicos de unirse entre sí, se llama “unión hidrofóbica”, pero no se debe a los que las cadenas carbonadas largas se atrigan entre sí, sino que el agua no interraciona con ellos y los rechaza. Si un compuesto posee un extremo hidrofílico (polar) y otro extremo hidrófobo (no polar), el compuesto se conoce como “anfipático” o “anfífilo”, por ejemplo los ácidos grasos que poseen un grupo carboxilo que es polar una cadena carbonada larga que es hidrófoba. La única forma de que los elementos hidrofóbicos se unan al agua es a través de la formación de micelas.[pic 8]

Micela: es un agregado lobular anfipático formado por dos fases, una hidrófoba que se encuentra en el centro apolar en donde están las grasas y una hidrofílica que se encuentra en la superficie polar que está formado por agua, la micela se forma por las fuerzas de van der Walls que sirven como envoltura para cada ácido graso y que al unirlos todos forman el agregado lobular que puede contender en su centro apolar una alta cantidad de lípidos y por esta razón su peso molecular es muy elevado. [pic 9]

2)  Capilaridad

        Cuando el agua entra en contacto con una superficie polar como el endotelio de los vasos, atraen hacia ellas otras moléculas y esto genera un ascenso natural del líquido, un ejemplo es que gracias a la capilaridad el agua va de la raíz al tallo y las hojas.

3) Tensión superficial

        Las moléculas de agua presentan fuerzas de atracción en todas las direcciones con las moléculas circundantes, pero en la superficie no hay más moléculas agua y el aire se comporta como una membrana elástica, entonces el agua se aglutina más en la superficie que en otras partes del líquido, lo que general la tensión superficial del agua que es semejante a una membrana delgada, elástica que cubre la superficie. Un ejemplo es cuando colocamos una hoja de un árbol sobre el agua y flota.

Propiedades coligativas

1. Punto de fusión: se refiere a la temperatura en la que el agua pasa del estado sólido al líquido, que es de 0ºC.
2. Punto de ebullición: es la temperatura a la cual el agua líquida se convierte en vapor, que es de 100ºC, el punto de fusión y ebullición se modifica si se le agregan solutos al agua.
3. Presión de vapor: es la tendencia a escapar de las moléculas del agua hacia el espacio que las rodea lo cual ejerce presión sobre la atmósfera.
4. Calor específico: se refiere a la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura del agua.
5. Calor latente de vaporización: es la cantidad de energía necesaria para superar las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua y transformarla al estado gaseoso.
6. Presión osmótica: es la presión que ejercen as moléculas de soluto sobre las paredes del recipiente que las contenga y en sangre está dado principalmente por las proteínas que constituye la fuerza que se opone a la presión hidrostática de los capilares. Un ejemplo es que del lado arterial de los capilares (vasos pequeños), la presión hidrostática excede a la presión osmótica y los líquidos tienden a salir de los vasos, mientras que en capilares venosos la presión osmótica supera a la hidrostática y los líquidos son obligados a volver.

Las propiedades coligativas fueron extraídas de Díaz Zagoya –Hicks, “Bioquímica”, capítulo 2, “el agua”, página 32 – 34

Disociación de agua

La ecuación para la disociación del agua se ha descrito así:

K = (H+)(OH-) / (H2O)

Dónde K, significa constante de equilibrio para la disociación y a una temperatura de 25ºC la constante tiene un valor 1.8 x 10 -16. H+ son hidrógenos que tienen un valor de 10-7, OH- son hidroxilos que tienen un valor de 10-7 y H2O es agua y además es un valor constante porque su concentración es de 1000/18, lo que es igual a 55,5 moles por litro.

Cuando sustituimos los valores de la ecuación uno, nos da:

K = (10-7)(10-7) / 55,5

Se transformarse en:

1.8 x 10 -16 mol/L

Este es el motivo por el cual, la constante  de disociación tiene un valor de 1.8 x 10 -16 mol/L, ahora debemos incorporar una nueva ecuación conocida como:

La ecuación para constante de ionización del agua es:

       Kw = (H+)(OH-)

        Que sustituyendo los valores sería:

       Kw = (10-7)(10-7)

        Kw = 1,00 x 10-14

Si la fuerza iónica del medio es baja, los coeficientes de actividad pueden ser tomados como la unidad y Kw se iguala al producto de las concentraciones de los iones de hidrógeno e hidroxilo, lo que significa que a una temperatura de 25º C la concentración de iones hidrógenos es de 1,00 x 10-7 por litro y la concentraciones de hidroxilo también es la misma. Es igual a 10-14 (mol/L)2 para todas las soluciones acuosas, incluso las soluciones ácidas o básicas.

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