Estructura y propiedades del agua

La molécula de agua está compuesta por 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos por un enlace covalente. Formando un ángulo de 104,5º ya que la disposición estructura real de los orbitales atómicos es la hibridación (sp³) (4 orbitales iguales resultados de la unión de los s y los p).

La molécula de agua teóricamente tendría que ser eléctricamente neutra, sin embargo, el oxígeno es más electronegativo que los átomos de hidrógeno, por tanto, atrae hacia su núcleo la nube de electrones que intervienen en el enlace, con lo que aparece una zona de densidad de carga negativa cercana al oxígeno y una zona con densidad de carga positiva cercana a cada uno de los átomos de hidrógeno. Por tanto, decimos que la molécula de agua se comporta como un dipolo eléctrico. Además como consecuencia de la diferencia de electronegatividades entre los átomos de las distintas especies que componen la molécula de agua, esta puede formar varios puentes de hidrógeno. Y actuar simultáneamente como donadora y aceptora de enlaces de hidrógeno. La capacidad para formar este tipo de enlaces hace que los puntos de fusión y de ebullición se vean alterados con respecto de otras moléculas con masa molecular parecida.

1. El agua está en estado líquido entre los 0 y los 100º C (a temperatura ambiente), mientras que moléculas muy similares, como el CH₄ y el amoníaco (NH₃); están en estado gaseoso. Esto se debe a que posee un gran calor específico, esta propiedad está relacionada con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. Gracias a esto el agua puede absorber grandes cantidades de calor que utiliza para romper los puentes de hidrógeno, por eso la temperatura del agua se eleva relativamente lenta. También los puentes de hidrogeno son los responsables del elevado calor de vaporización que posee el agua ya que primero hay que romper los enlaces de hidrógeno y después dotar las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de estado líquido a gaseoso. Además debido a la fragilidad del enlace por puente de hidrógeno, las uniones intermoleculares se están creando y destruyendo continuamente por eso una muestra de agua se puede considerar como una red dinámica de moléculas unidas por puentes de hidrógeno. Esto hace que el agua sea un líquido muy fluido. Otra peculiaridad de las propiedades del agua, con importancia biológica, es que en estado sólido, el agua, es menos densa que en estado líquido. Esto hace que en invierno cuando los estanques y ríos, se congelan, el hielo sea superficial; ya que al ser menos densa flota, por lo que la vida puede mantenerse en la parte más profunda.
2. La elevada fuerza de cohesión que posee la molécula de agua es gracias a que los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas entre si, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible. Además tiene una gran fuerza de adhesión. Esta fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares. Ambas propiedades son las responsables del fenómeno de la capilarización. En el cual es agua se tiende a unir a las paredes del recipiente que las contiene. Y la hace tener una elevada tensión superficial, en la superficie libre el agua creando una lámina "resistente".

Propiedades disolventes del agua

La propiedad más importante del agua es la acción disolvente de la cual van a estar derivadas casi todas sus funciones. En agua se pueden disolver la mayoría de los compuestos polares e iónicos. En el caso de las sustancias iónicas que se encuentran formando redes cristalinas, como por ejemplo el cloruro sódico, se mantienen fuertemente unidas mediante atracciones electroestáticas entre iones positivos e iones negativos, por lo tanto se necesita de una energía considerable para separar a estos iones unos de otros. El agua, no obstante, disuelve al cloruro de sódico, gracias a las fuertes atracciones electrostáticas entre los dipolos del agua y los iones Na⁺ y Cl^-, que forman los iones hidratados muy estables y impiden que ambos iones se vuelvan a unir.

Una amplia segunda clase de sustancias que se disuelven en el agua con facilidad, comprende compuestos no iónicos pero de carácter polar, tales como azúcares, proteínas (ya que por lo menos van a poseer grupos NH₂ y COOH en los extremos N y C), los grupos fosfatos de los ácidos nucleicos (que al descondensarse se van a separar de las histonas que tienen carácter positivo, con lo que el ADN va a resultar una molécula polar). Su solubilidad se debe a la tendencia de las moléculas de agua a establecer enlaces de hidrógeno con grupos funcionales polares, como hidroxilos, carbonilos, sulfhidrilos, fosfatos y amino.

En el caso de las proteínas, que son solubles en agua cuando adoptan una conformación globular. La solubilidad es debida a los radicales (-R) libres de los aminoácidos que, al ionizarse, establecen enlaces débiles (puentes de hidrógeno) con las moléculas de agua. Así, cuando una proteína se solubiliza queda recubierta de una capa de moléculas de agua (capa de solvatación) que impide que se pueda unir a otras proteínas lo cual provocaría su precipitación (insolubilización). Por eso en una disolución con sales, el apantallamiento entre dos proteínas globulares solvatadas competirá con las moléculas de sal disueltas en el agua, cuando la concentración de sales es lo suficientemente alta (salting out), esta rompe el apantallamiento entre las proteínas provocando que se unan entre si, ganen mucho peso molecular y como consecuencia de ello precipiten.

Otra estructura importante se forma cuando se disuelven en el agua moléculas no polares, más o menos grandes. Las moléculas de H₂O, se van uniendo entre si, formando figuras poliédricas, por medio de puentes de hidrógeno y así aislando dentro del volumen del poliedro el soluto no polar. A este tipo de estructura se le denomina clatrato.