La Geometra del Agua

LA GEOMETRA DEL AGUA La molcula de agua est constituida por dos tomos de hidrgeno unidos por sendos enlaces covalentes al tomo de oxgeno. Cada enlace covalente implica la comparticin de dos electrones entre los tomos de hidrgeno, en que cada tomo aporta un electrn. Por lo tanto, los electrones puestos en juego en ambos enlaces covalentes son cuatro. Estos electrones enlazantes, se suelen representar por pares de puntos o trazos, de manera que la molcula de agua puede representarse por los smbolos de los elementos de hidrgeno y oxgeno unidos por trazos.

Adems existen en el tomo de oxgeno dos pares de electrones, que no participan en enlace, situados en un nivel de menor energa, o ltima capa. Por lo tanto, el ngulo que subtiende las dos uniones oxgeno-hidrgeno es 104,5, menor que el ngulo tetradrico.

Al existir un dipolo en esta molcula, puede atraer a sus vecinas por fuerzas de atraccin entre cargas de diferente signo.

Estas fuerzas se denominan atraccin dipolo-dipolo, las cuales son importantes en sustancias al estado lquido o slido donde la cercana molecular es muy grande.

Polaridad de la molcula de agua

La polaridad de la molcula de agua no slo es consecuencia de su geometra tetradrica irregular, sino que tambin de la naturaleza de sus tomos: hidrgeno, el tomo ms pequeo de la Qumica, y oxgeno, un tomo pequeo, pero principalmente de alta electronegatividad. Este trmino denota a los tomos que presentan gran capacidad de atraer electrones de enlace hacia s. Por lo tanto, el tomo de oxgeno de la molcula de agua atrae hacia s los electrones de los enlaces covalentes con los hidrgenos; hecho que da lugar a una polaridad de enlace. Si la polaridad de enlace se representa por la letra , con su correspondiente signo, entonces la molcula de agua podr representarse como el dibujo de la izquierda.

El puente de hidrgeno

Dado que el tomo de oxgeno es pequeo y bastante electronegativo, la concentracin de electrones en su entorno es elevada, por lo que las cargas negativa sobre oxgeno y positiva entre los tomos de hidrgeno son considerables. Se deduce que las atracciones dipolo-dipolo entre molculas de agua son importantes, en realidad muy fuertes, porque las molculas polares de agua, siendo pequeas, pueden acercarse mucho ms que molculas mayores y pueden atraerse fuertemente por su gran polaridad. Esta atraccin dipolo-dipolo que es inusualmente fuerte y en la que participa el tomo de hidrgeno se denomina puente de hidrgeno.

Esta asociacin intermolecular que se da en el agua lquida y en el hielo, se suele representar por una lnea de puntos. En el hielo, la longitud del enlace de hidrgeno es de 1,77 que se compara con la longitud del enlace covalente H-O de 0,99 .

Esta estructura muestra que cada tomo de oxgeno de las molculas de agua que forman una masa de hielo est unido por dos enlaces covalentes a sendos tomos de hidrgeno y por puente de hidrgeno a molculas vecinas. La energa de los puentes de hidrgeno es aproximadamente un 1% del enlace covalente. Esta gran diferencia de energa hace la distincin entre el enlace covalente, que es un enlace qumico y por lo tanto muy fuerte, y el mal llamado enlace de hidrgeno, que slo es una asociacin fsica, porque es una atraccin dipolo-dipolo.

Se explic que en la molcula de agua los pares electrnicos enlazantes y no enlazantes estn orientados hacia los vrtices de un tetraedro irregular, por lo que al considerar una masa de hielo, sus molculas forman una inmensa red tridimensional altamente ordenada que evita que las molculas se acerquen mucho entre s. El puente de hidrgeno que se establece, hace que las molculas de agua adopten una estructura que deja huecos hexagonales que forman una especie de canales a travs de la red tridimensional.

Los EPH se forman entre las molculas polares covalentes que contienen H y molculas polares con tomos pequeos de alta electronegatividad, como F, O y N.

Se deben a las atracciones entre los centros parcialmente positivos y parcialmente negativos de las molculas, los radios pequeos de los tomos involucrados permiten un mayor acercamiento entre las molculas adyacentes

Una de las consecuencias de los "puentes de hidrgeno" es que las molculas de agua no pueden abandonar la superficie de un cuerpo tan fcilmente como lo haran de no existir esta atraccin intermolecular.

La fuerza de enlace (energa de enlace) del puente de hidrgeno es 3 a 100 veces menor que la energa de enlace covalente. Lo que hace que la unin intermolecular sea considerablemente fuerte.

Fuerzas de atraccin intermoleculares en los distintos estados de agregacin:Estado gaseoso:Los enlaces puente de hidrgeno prcticamente desaparecen

Estado lquido:Experimentalmente por difraccin de rayos X (del agua lquida) se comprueba que las molculas estn unidas unas a otras formando una especie de macromolcula gigante.

Podemos considerar la molcula de agua lquida como (H2 O)n siendo n igual a 1,2,3...,n, dependiendo el grado de asociacin de la temperatura (a mayor temperatura menor asociacin).

El agua al igual que cualquier otro lquido por debajo del punto de ebullicin, al disminuir la temperatura disminuye su volumen y aumenta su densidad ya que disminuye la energa cintica de las molculas y en el caso del agua tambin aumenta la asociacin molecular (por los enlaces puente de hidrgeno).La contraccin en cualquier otro lquido (al disminuir la temperatura) sigue progresivamente hasta y por debajo de su punto de fusin.

El agua sigue un comportamiento normal hasta los 4C.Por debajo de esa temperatura el comportamiento se invierte (disminucin de la T - dilatacin) Este comportamiento anmalo que explicaremos tiene una trascendencia fundamental.

Hasta los 4C (disminucin de la temperatura) el proceso de asociacin (EPH) y disminucin de la energa cintica, prcticamente avanzan en el mismo sentido produciendo contraccin.

De los 4C hacia abajo predomina el proceso de asociacin (unin puente de hidrgeno) , empezndose a formar algunas estructuras cristalinas con huecos (espacios vacos). Por lo tanto la curva se invierte y al disminuir la T se dilata.

Este ltimo proceso predomina sobre la disminucin de energa cintica. (Disminucin de T - disminucin de volumen)Estado Slido (Cristalino):A los 0C (estado slido), el ordenamiento es prcticamente total. Las molculas no estn empacadas una al lado de la otra (como si fueran esferas), sino se agrupan con espacios vacos o huecos entre ellas, cada molcula tiene 4 vecinos inmediatos de manera tal que la estructura total consiste en una red tridimensional tipo panal de abejas con repeticiones de grupos hexagonales de 6 molculas distribuidas de tal manera que queda un espacio vaco central.

Electrlisis del agua

El agua es un compuesto formado de dos elementos, H y O (hidrgeno y oxgeno).

La frmula molecular del agua es H2O.

- Al aplicar energa en forma de electricidad se separan ambos elementos:

Alrededor del polo negativo se forma hidrgeno: H2 2 volmenes Alrededor del polo positivo se forma oxgeno: O2 1 volumen - La reaccin qumica que tiene lugar es la siguiente: 2 H2O -----( 2 H2 + O2El comportamiento anormal de agua es de notable importancia

Accin o proceso benfico

A diferencia de otros lquidos el agua congela de arriba hacia abajo lo que preserva la vida submarina, de otra manera, los lagos, mares, etc quedaran totalmente congelados. Esto se explica debido a que por debajo de los 4C , al enfriarse las partculas superficiales aumentan su volumen , disminuyendo su densidad, y por lo tanto quedan arriba.

Accin o proceso perjudicial

Por debajo de los 4C, el aumento de volumen producido, puede provocar el rompimiento de caeras, por lo que es necesaria una proteccin trmica conveniente .Por debajo de los 4C el volumen aumenta 1/11 del volumen inicial.

Propiedades del aguaMasa molar: 18 gr.

Punto de fusin: O C. 1 Atm.

Punto de ebullicin: 100C a 1Atm

Densidad a 3.98C = 1g/cm3Densidad slido 0.8 g/ cm3.

Molcula polar y diamagntica

Calor especfico: 1 cal / g.C a 20C

Calor de fusin: 79 cal / g. C a 20C

Calor de evaporacin: 540 cal / g, C a 20C

Tensin superficial: 73 dinas/ cn3pH= 7 neutraLa mayora de las propiedades dependen de los enlaces puente de hidrgeno: Punto de fusin, punto de ebullicin, densidad, calor especfico, calor de fusin, tensin superficial, de fcil interpretacin como as tambin la accin disolvente, fuerza de cohesin y de adhesin que plantearemos.

Accin disolvente

El agua es el lquido que ms sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la ms importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrgeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga inica (alcoholes, azcares con grupos R-OH, aminocidos y protenas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares Fig.7. Tambin las molculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones inicas.

Fuerza de cohesin

Los puentes de hidrgeno mantienen las molculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un lquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrosttico, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presin generada por sus lquidos internos.

Fuerza de adhesin

Esta fuerza est tambin en relacin con los puentes de hidrgeno que se establecen entre las molculas de agua y otras molculas polares y es responsable, junto con la cohesin del llamado fenmeno de la capilaridad. Cuando se introduce un capilar (Fig.8) en un recipiente con agua, sta asciende por el capilar como si trepase agarrndose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la presin que ejerce la columna de agua , se equilibra con la presin capilar. A este fenmeno se debe en parte la ascensin de la savia bruta desde las races hasta las hojas, a travs de los vasos leosos.

Ionizacin del agua

Fig.9

El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones.

En realidad esta disociacin es muy dbil El producto inico del agua a 25 es

Este producto inico es constante. Como en el agua pura la concentracin de hidrogeno y de hidroxilos es la misma, significa que la concentracin de hidrogeno es de 1 x 10 -7:

disolucin neutra pH = 7

disolucin cida pH < 7

disolucin bsica pH > 7

Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas dcimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolucin sistemas de tampn o buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostticos. Los sistemas tampn consisten en un par cido-base conjugado que actan como dador y aceptor de protones respectivamente.

http://www.puc.cl/quimica/agua/estructura.htm#ptehttp://www.frm.utn.edu.ar/investigacion/compuquim/propiedades.html#4.%20Elevado%20calor%20de%20vaporizaci%C3%B3n