Agua - El post que se merece

Que tal genT!?

Con frecuencia mi profesor de química nos dice que si Dios en verdad existe, y que si en verdad creó el universo y la vida en 7 días (o 6... la verdad no tengo ni la menor idea del desarrollo de esta teoría ) por lo menos tuvo que dedicarle 1 día y medio a la creación de la molécula de agua, porque su peculiar forma y composición es la responsable de que yo esté haciendo este post y ustedes lo estén leyendo.

Encontre varias canciones sobre el agua, les dejo esta para que disfruten el post:

link: http://www.youtube.com/watch?v=GEdHjyLZvLA

La forma y composición de la molécula de agua le atribuyen tanto sus propiedades químicas como sus propiedades físicas. A través de este post voy a tratar de resumir un poco estas propiedades y en que influyen en el desarrollo de la vida, tratando de no entrar mucho en lo científico para que el post no se torne aburrido.

La molécula de agua.

Mi profesor suele decir que la molécula de agua está formada por un átomo avaro, y 2 átomos que no son pendejos y no se dejan. Como ya sabemos, el agua está compuesta por 2 átomos de hidrogeno y 1 de oxigeno (Gracias Lavoisier, Gay-Lussac y Cavendish por hacer este post posible. ). En la analogía de mi profesor, el átomo avaro es el oxigeno (que es muy electronegativo, es decir, tiende a querer afanarle los electrones a otros átomos) y los que no se dejan, los hidrógenos (ya veremos porque no se dejan).
La formula molecular del agua es por tanto, H2O. ¿Qué forma tiene la molécula de agua realmente? Bueno, realizando cálculos, mediciones y demás, ahora sabemos que la molécula de agua tiene la siguiente forma:

Agua - El post que se merece

Como vemos, la molécula de agua está doblada en forma de V. Si no tuviera esta forma, la vida no sería como la conocemos. ¿Que hace que tenga esta forma? Bueno, resulta que en los enlaces que forman moléculas, se comparten electrones, es decir, cada rayita que vemos en las imágenes que simbolizan enlaces, son en realidad, pares de electrones compartidos. Ahora, muchos de ustedes sabrán que son los electrones de valencia, pero por si acaso, los electrones de valencia son los electrones que el átomo tiene disponibles para compartir, regalar, etc. El oxigeno tiene 6 electrones de valencia, y el hidrógeno solo 1. También me imagino que muchos sabrán lo que es la regla del octeto (Que no es en realidad una regla, es solo una coincidencia que no aplica la mayoría de las veces). Esta dice que cada átomo tratará completar 8 electrones en su capa de valencia, ya sea robando, compartiendo o regalando electrones. Por diversas razones, el octeto del hidrógeno es 2 (Vaya descache), el del oxigeno es 8. Haciendo cuentas, si el oxigeno tiene 6 electrones de valencia y quiere llegar a 8, necesita 2 electrones. Si el hidrógeno tiene 1 electrón de valencia y quiere llegar a 2, necesita 1 electrón. Consecuencia lógica: Un oxigeno y 2 hidrógenos comparten electrones para completar sus octetos. Hasta ahí, todo bien y todo muy fácil, pero eso no explica porqué la molécula es doblada y no lineal (Como el CO2, que es lineal y tiene el mismo número de átomos).
ciencia
Pues bien, a cada enlace (o a cada rayita) se le denomina dominio electrónico, no importa si es sencillo, doble o triple (1,2 o 3 rayitas ). Sin embargo, si hicieron las cuentas, probablemente hayan notado que, aunque el oxigeno completó su octeto, le quedaron 4 electrones de valencia sin compartir. A cada par de electrones sin compartir, se le dice también dominio electrónico. En total pues, el oxigeno tiene 4 dominios electrónicos (2 enlazantes, 2 no enlazantes). El señor Wolfgang Ernst Pauli nos enseñó que no pueden coexistir 2 fermiones con todos sus números cuánticos idénticos. Probablemente no entiendan esto (Yo personalmente no termino de hacerlo ), así que para simplificar las cosas, decimos que como consecuencia de este principio, los dominios electrónicos (un electrón es un fermion) trataran de alejarse uno del otro lo más posible. Si aplicamos un poco de geometría, sabremos entonces que el ángulo más abierto que pueden formar 4 vértices sobre un punto en una representación tridimensional es de 109,5°. Aplicado a nuestro tema, los 4 dominios electrónicos alrededor del oxigeno forman un tetraedro (Comentario: En realidad, medidos experimentalmente, los ángulos de los dominios electrónicos alrededor del oxigeno en la molécula de agua no miden 109,5°, sino 104,5°, debido a que los dominios electrónicos no enlazantes son relativamente “más grandes” que los enlazantes, esto no tiene mucha relevancia en nuestro post). En conclusión, la molécula de agua tiene una estructura tetraédrica.
puente
homenaje
¿Pero no habíamos dicho que era doblada? . Sí, es doblada, es tetraédrica si representamos los dominios enlazantes, ¡pero normalmente no lo hacemos! Hagan la prueba, quitándole 2 vértices cualesquiera a un tetraedro, quedara una molécula……. Chan chan! Doblada! Esta estructura característica del agua tiene una gran relevancia en la vida, mas adelante hablaremos de por qué. Por el momento, quiero darles un modelo de referencia para que tengan en cuenta y puedan entender el post. EL CO2. Es una molécula de formula molecular muy similar al agua, y con otro par de características similares, con la diferencia de que esta no es doblada. Porque? Hagan la cuenta, el carbono tiene solo 4 electrones de valencia, y los comparte todos en enlaces dobles con 2 oxígenos para que cada uno pueda formar su octeto, por lo tanto el CO2 solo tiene 2 dominios electrónicos (ambos enlazantes), que debido al principio de exclusión de Pauli, se ubicaran lo más lejos el uno del otro de manera lineal. Tengan en cuenta la formula y la forma de esta molécula, que tendremos en cuenta para una explicación posterior.
El agua tiene otra característica singular que hace que la vida sea posible: es polar. ¿Qué significa que sea polar?, que se imaginan que algo sea polar?
hidrogeno
No! No es eso! .
Que algo sea polar significa que tiene dipolos electromagnéticos, como un imán, o como la tierra misma, tiene polo norte y sur. Recuerdan lo que mi profesor decía sobre el átomo avaro y los que no se dejan?. El oxigeno es avaro porque trata de robarle los electrones al hidrógeno, y de hecho, en cierta forma, lo logra, la densidad electrónica es mayor cerca al oxigeno que al hidrógeno (es decir, de una manera un tanto vulgar, los electrones compartidos se la pasan más tiempo cerca al oxigeno que al hidrógeno). Los electrones están cargados negativamente, por lo que, aunque la molécula total es neutra, tiene un lado cargado positivamente (los hidrógenos técnicamente perdieron sus electrones) y un lado cargado negativamente (El oxigeno, que se los ha robado a los hidrógenos). Un enlace Hidrogeno-Oxigeno (O-H) es muy polar debido a que el oxigeno es el segundo átomo más electronegativo de todos los elementos (El primero es el flúor, responsable de que no tengas caries ). Esta alta polaridad sumada a que el hidrogeno solo tiene un electrón, y el oxigeno se lo robó, hacen de este enlace uno especialmente polar. La molécula de agua tiene 2 enlaces O-H, por lo que se podrán imaginar cuan polar es la molécula. Esto tiene el efecto más grande sobre la vida, del que les hablaré más adelante. Por ahora sabemos, que como la molécula de agua es muy polar y esta doblada. ¿Pero saben que otro enlace es muy polar? El enlace C=O (Carbono-Oxigeno) es muy polar. ¿Que molécula de la que ya hablamos tiene no solo 1, sino 2 de estos enlaces? El CO2. Sin embargo, el CO2 no es polar. Porque carajos no es polar, si tiene 2 enlaces muy polares!?. Muy sencillo, la polaridad es una cantidad vectorial, es decir, tiene tanto magnitud como dirección (P. ej., la velocidad, un auto tiene cierta velocidad, pero eso no es todo lo que tiene, la velocidad tiene una dirección, que puede cancelarse.) Dos fuerzas de igual magnitud pero de dirección opuesta se cancelarán. El CO2 es una molécula lineal, y tiene 2 enlaces C=O, igualmente polares, por lo tanto, la polaridad total es nula. El agua, por el contrario, es doblada, por lo que las magnitudes de la polaridad de los 2 enlaces O-H NO SE CANCELAN.

Pausa didáctica! ¿Recuerdan ese experimento que hacíamos cuando niños de frotar una bomba de caucho contra nuestro cabello y acercarla a un montón de papelitos? ¿Qué pasaba? Los papelitos se pegaban a la bomba!!! ¿Cuál era la explicación? Que la bomba se cargaba electrostáticamente, y atraía los papelitos hacia ella. Pues bien, no les contaron la historia completa! Los papelitos se pegan a la bomba, porque el papel esta hecho de una sustancia muy polar, la celulosa. Si intentáramos con una sustancia no polar (p. ej. CO2), no ocurriría lo mismo. Sé que en tu cabeza se acaba de prender un bombillo, que te dice que repitas el experimento con la molécula polar protagonista de este post! Con el agua también funciona! Les dejo un video muy completo para que lo vean:


link: http://www.youtube.com/watch?v=T6dfW1XW3FM

Con el agua también pasa lo mismo, en el video, la botella se carga electrostáticamente y atrae las moléculas polares del agua (En lo personal, este experimento fue mi regalo de cumpleaños para mi hermanita, no hace falta decir que fue el mejor, dejo asombrados a mis viejos! , imagina la guita que te puedes hacer con la química y la física!). Acabamos de comprobar que el agua es polar.

Como el agua es muy polar, y además, está compuesta de el 2do átomo más electronegativo, sumado a que tiene 2 átomos que son prácticamente positivos (Se les ha quitado el único electrón que poseían), se forman fuertes interacciones entre sus moléculas, que llamamos puentes de hidrógeno. ¿Recuerdan que les dije que el hidrógeno era un átomo que no era pendejo y no se dejaba abusar del oxigeno? El hidrógeno ha quedado prácticamente positivo y “desnudo”, mientras que el oxígeno queda positivo. ¿Recuerdan que al oxigeno le quedan 2 pares de electrones sin enlazar? . El hidrógeno de una molécula no es bobo, y rápidamente, forma interacciones con otro oxigeno de otra molécula. A esto le llamamos puentes de hidrógeno, interacciones que no son lo suficientemente fuertes como para ser un enlace, pero que son lo suficientemente fuertes como para conferirle cierta estabilidad a un grupo de moléculas. Más adelante les mostraré porqué estos puentes de hidrógeno son tan importantes en la vida.

Ahora que sabes esto, tienes el derecho a preguntarte: ¿Y eso que carajos tiene que ver con mi existencia? La cosa empieza a ponerse buena. Las consecuencias de que el agua sea polar son inmensas. A partir de ahora voy a poner las propiedades macroscópicas del agua, y a decirles que tiene cada una que ver con la molécula de agua y con la existencia de la vida.

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Disolvente.
¿Alguna vez escuchaste decir: “Similar disuelve similar”, o “Polar disuelve polar”? Al ser el agua una de las moléculas más polares, disuelve muuuuuchas sustancias polares (En teoría, la vida está hecha de moléculas polares). Por ejemplo, el azúcar. El azúcar es una sustancia polar, muy importante para la vida (La glucosa es la 2da molécula más importante para la vida, el azúcar es una molécula hecha de una molécula de glucosa y otra de fructosa). Otras sustancias muy importantes para la vida: el amoniaco, la sal (Cloruro de sodio, un compuesto iónico, es decir, al disolverse en agua, la polaridad de esta logra romper sus interacciones, y separan la sustancia en iones, partículas cargadas) etc. El agua es importante porque al ser muy polar, disuelve las sustancias necesarias para la vida, y permite que reaccionen. Aproximadamente el 70 % de nuestro cuerpo es agua, el resto son sustancias iónicas y compuestos orgánicos (gran parte de ellos, polares)

La cohesión.
La cohesión es una propiedad que nos indica cuan fuerte se atraen las moléculas en un grupo. Para el agua, esta propiedad es extremadamente fuerte, y tiene implicaciones en otras propiedades, como el punto de ebullición y la densidad del agua. Tiene implicaciones en la vida, algo que no sabía yo y que leí y en la wikipedia, así que se los pongo textual: “Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.”

La adhesión
Otra propiedad muy importante, que nos dice que tan fuerte se unen las moléculas del agua a otras superficies, como el vidrio. Si alguna vez hicieron el experimento, al meter una pajita (No sé cómo se le dice en argentina, aquí les decimos así o pitillos) en agua, dentro de la pajita el agua sube un poco más del nivel del agua en el vaso, esto es, la fuerza de adhesión. Una de las implicaciones biológicas más importantes, es que el agua sube por los tallos de las plantas, permitiendo su distribución.

Tensión superficial.
Creo que todos se saben esta propiedad en T! Todos hemos visto el video del basilisco corriendo en el agua, o fotografías de insectos parados sobre ella, o leído cuentos de hombres caminando sobre ella . La tensión superficial se hace evidente en los panzazos en la pileta (Piscina, que se yo). Esta se debe a que, las fuerzas de atracción (como los puente de hidrogeno) dentro del agua, son las mismas para todas las moléculas, pero en la superficie, donde no hay moléculas arriba de las que están en la superficie, las atracciones son más fuertes.

link: http://www.youtube.com/watch?v=Qhsxo7vY8ac&f


Calor especifico.
El calor específico es una propiedad del agua supremamente importante para la vida. Está definida como la energía requerida para aumentar la temperatura de 1 gramo de agua en 1° C. Se han preguntado alguna vez porque en las costas, o cerca a los ríos o lugares de mucha vegetación, por las noches la temperatura no varía mucho respecto a la del día, y porque en los desiertos, en el día puede hacer un calor infernal y en la noche un frio tremendo? Pues bien, el calor específico del agua es uno de los más altos que se puede encontrar (Por supuesto que los hay más altos, como la cera, por ejemplo) así que la energía requerida para calentar 1 gramo de agua es muy alta. La ley 0 de la termodinámica nos dice que la energía no se crea ni se destruye, así que una consecuencia lógica de esta ley aplicada al calor especifico del agua es que le energía que le aplicamos al agua para aumentar su temperatura en 1° C debe ser la misma que esta libera cuando disminuye su temperatura en 1° C. Durante el día, el sol calienta el agua de los mares y de la vegetación, y durante la noche, esta irradia energía constantemente, de manera que el cambio de temperatura no es mucho. Pero en los desiertos no hay agua ni nada con un calor especifico comparable, así que los cambios de temperatura son extremos.

Puntos de ebullición y de fusión
Los puentes de hidrógeno del agua son los responsables de que el agua sea liquida a temperatura ambiente (de lo contrario, sería un gas) y de que esta requiera de mucha energía para cambiar de estado. La vida no existiría como la conocemos si el agua en la tierra solo estuviera en un estado.

Densidad
A mi parecer, esta es una de las propiedades más críticas del agua. Todos sabemos que el hielo flota en el agua, pero que este es un comportamiento anómalo (Las sustancias normalmente son más densas en su fase solida que en su fase liquida). Ahora, todos sabemos que en la tierra hay cambios de estaciones, ha habido eras de hielo en las que todo se ha congelado, etc. Como logró sobrevivir la vida en agua congelada? De hecho, la vida no sobrevive en agua congelada (Se formarían cristales de hielo en el citoplasma de la célula que romperían la célula y desequilibrarían la presión osmótica de la célula, ocasionando muerte celular). La vida sobrevive a temperaturas a las que el agua se congela, sencillamente porque el hielo flota. Esa es la razón por la que la vida marina sobrevivió en las eras de hielo. Los puentes de hidrógeno del agua hacen que cuando esta se solidifique, forme una estructura cristalina, con más espacio vacío entre moléculas que en su fase liquida.
enlace
Por eso y hielo es menos denso que el agua líquida y flota. En el invierno, o en una era glacial, el agua solidifica, y los cristales que se forman ascienden a la superficie, formando una capa de hielo que protege a la capa liquida inferior de que se congele. Si el hielo fuera más denso que el agua líquida (como debería ser), los cristales de hielo precipitarían, y toda el agua se congelaría, provocando la extinción de la vida. Manolo12 pudo haber creado taringa (Gracias Manolo12 de paso! ), pero nuestra existencia se la debemos a los puentes de hidrogeno (y tal vez a Chuck Norris XD).

Otras aplicaciones biológicas de los puentes de hidrogeno.
Los puentes de hidrogeno no son exclusivos del agua, algunas sustancias, como el amoniaco (NH3), el etilenglicol (HOCH2CH2OH), y el sulfuro de hidrogeno (H2S, sustancia muy parecida al agua, la astrobiología basa muchas de sus hipótesis en la existencia de vida en base a esta sustancia, quien sabe, de pronto algún marciano se encuentra leyendo un post de “El sulfuro de hidrogeno, el post que se merece” ). El etilenglicol forma más puentes de hidrogeno que el agua (Me acabo de acordar que el sulfuro de hidrogeno es el responsable del olor de los muertos ), por lo que su punto de ebullición es más alto. Los puentes de hidrogeno son los enlaces que mantienen unidas las bases nitrogenadas del ADN (Si, esas que ten enseñaban en primaria, que casualmente forman codones AGU AAG UAA GUA), solo por mencionar unos cuantos ejemplos.
polar

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Hemos culminado el homenaje al agua. Espero que al salir de este post hayan encontrado las respuestas a muchas preguntas, y generen muchas más. Al fin y al cabo, eso es ciencia. Solamente les pido que cada vez que se beban un vaso de agua, no solo imaginen que se están bebiendo cabecitas de Mickey Mouse, sino que sepan porque es importante que se beban eso, y porque eso que se están bebiendo es la responsable de que ustedes comenten obligatoriamente. .
Si encontraron algún error en el post, algún dato falta, o les parece que algo necesita ser mejor explicado, avísenme por MP o coméntenlo en el post, todo tiene cabida aquí.

Fuente: Casi todo el post lo hice yo, basado en lo que leí en el libro "Química la ciencia central" de Theodore Brown, solo saque lo del principio de exclusión de Pauli y lo de la capacidad de perforación de los gusanos de tierra de wikipedia, y la mayoría de imágenes de internet.
http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_exclusi%C3%B3n_de_Pauli
http://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula_de_agua

GRACIAS!

13 comentarios - Agua - El post que se merece

@kavach
estemmmmm....

en resumen no vivimos sin agua
@naruto__
la verdad un muy buen aporte!!! te pasaste!!! ahora estoy apurado pero va a fav y despues lo leo jej, de nuevo, muy buen aporte!!!
@Matiasrey
Interesante, 10 por le esfuerzo.
@Spartacus28
Hola vengo a bardear


Nah mentiras, le dejo +10 para que no llore, y me quedo esperando el De Kick-Ass
@mickeyrabioso
Esto es un post interesante cajaro! .Te dejaria puntos pero todavia no se como se dejan jajaja