propiedades del agua

AguaEl agua, el lquido ms comn de la superficie terrestre, el componente principal en peso de todos los seres vivos, tiene un nmero de propiedades destacables. Estas propiedades son consecuencia de su estructura molecular y son responsables de la "aptitud" del agua para desempear su papel en los sistemasvivos.La estructura de lamolcula de agua est dada por dos tomos de hidrgeno y un tomo de oxgeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes. Es una molcula polar y, en consecuencia, forma enlaces -llamados puentes de hidrgeno- con otras molculas. Aunque los enlaces individuales son dbiles -se rompen y se vuelven a formar continuamente- la fuerza total de los enlaces que mantienenalasmolculasjuntasesmuygrande.Los puentes de hidrgeno determinan muchas de las extraordinarias propiedades del agua. Entre ellas estn su gran cohesin, su alta tensin superficial y sus altos calores especficos, de vaporizacin y de fusin. Los fenmenos de capilaridad e imbibicin estn tambin relacionados con la presenciadepuentesdehidrgeno.La polaridad de la molcula de agua es, adems, responsable de su adhesin a otrassustanciaspolares,deah,sutendenciaalmovimientocapilar.Tambin debido a su polaridad el agua es un buen solvente para iones y molculas polares. Las molculas que se disuelven fcilmente en agua se conocen como hidroflicas. Las molculas de agua, a raz de su polaridad, excluyen activamente de la solucin a las molculas no polares. Las molculas excluidasdelasolucinacuosaseconocencomohidrofbicas.El agua tiene una ligera tendencia a ionizarse, o sea, a separarse en iones H+ (en realidad iones hidronio H3O+) y en iones OH-. En el agua pura, el nmero de iones H+ y el nmero de ionesOH- es igual a 10-7 mol por litro. Una solucin que contiene ms iones H+ que iones OH- es cida; una solucin que contiene ms iones OH- que iones H+ es bsica o alcalina. La escala de pH refleja la proporcin de iones H+ a iones OH-. Una solucin cida tiene un pH inferior a 7; una solucin bsica tiene un pH superior a 7. Casi todas las reacciones qumicas de los sistemas vivos tienen lugar en un estrecho intervalo de pH alrededor de la neutralidad. Los organismos mantienen este estrecho intervalo de pH pormedio de buffers, que son combinaciones de formas de cidos dbiles o bases dbiles; dadores y aceptoresdeH+.LaestructuradelaguaLa molcula de agua es polar , con dos zonas dbilmente negativas y dos zonas dbilmente positivas; en consecuencia, entre sus molculas se forman enlacesdbiles.La molcula de agua (H2O) puede ser representada de variasmaneras distintas. Unadeellaseselmodelocompactoyotraelmodelodeesferas.

1. En el modelo compacto, el tomo de oxgeno est representado por la esfera roja y los tomos de hidrgeno por las esferas azules. A raz de su

1CurtisBibianaMegassini

sencillez, este modelo a menudo se utiliza como un smbolo conveniente delamolculadeagua.

2. El modelo de esferas y varillas remarca que los tomos estn unidos por enlaces covalentes; tambin da cierta indicacin de la geometra de la molcula. Una descripcin ms precisa de la forma de la molcula la proporcionaelmodeloorbital.

Lapolaridaddelamolculadeaguaysusconsecuencias.


1. Como se ve en este modelo, el modelo orbital, desde el ncleo de

oxgeno de una molcula de agua se ramifican cuatro orbitales constituyendo un tetraedro hipottico. Dos de los orbitales estn formados por los electrones compartidos que enlazan los tomos de hidrgeno al tomo de oxgeno. Debido a la fuerte atraccin que ejerce el ncleo del oxgeno hacia los electrones, los electrones que intervienen en los enlaces covalentes pasan ms tiempo alrededor del ncleo de oxgeno que el que pasan alrededor de los ncleos de hidrgeno. En consecuencia, la regin que se encuentra cerca de cada ncleo de hidrgeno es una zona dbilmente positiva. Adems, el tomo de oxgeno tiene cuatro electrones adicionales en su nivel energtico exterior. Estos electrones, que no estn implicados en el enlace covalente con el hidrgeno, estn apareados en dos orbitales. Cada uno de estos orbitales es una zona dbilmente negativa. As, la molcula de agua, desde el punto de vista de la polaridad, tiene cuatro "vrtices", dos "vrtices''cargadospositivamenteyotrosdoscargadosnegativamente.


2. Como resultado de estas zonas positivas y negativas, cadamolcula de agua puede formar puentes de hidrgeno (representadas por lneas de puntos) con otras cuatro molculas de agua. En condiciones normales de presin y temperatura, los puentes de hidrgeno se rompen y vuelven a formarse continuamente, siguiendo un patrn variable. Por esa causa, el aguaesunlquido.

Estos enlaces, en los que se une un tomo de hidrgeno con carga positiva dbil que forma parte de una molcula, con un tomo de oxgeno que posee carga negativa dbil y que pertenece a otra molcula, se conocen como puentes de hidrgeno . Cada molcula de agua puede formar puentes de hidrgeno con otras cuatro molculas de agua. Aunque los enlaces individuales son dbiles y se rompen continuamente, la fuerza total de los enlaces que mantienenalasmolculasjuntasesmuygrande.ConsecuenciasdelpuentedehidrgenoLos puentes de hidrgeno son los responsables de las propiedades caractersticas del agua; entre ellas, de la gran cohesin , o atraccin mutua, de sus molculas. La cohesin trae como consecuencia la alta tensin superficial que permite, por ejemplo, que una hoja de afeitar colocada delicadamentesobrelasuperficiedelaguaflote.La enorme cantidad de puentes de hidrgeno que presenta el agua tambin es responsable de su resistencia a los cambios de temperatura. El agua tiene un alto calor especfico -o capacidad calorfica- un alto calor de vaporizacin y un alto calor de fusin . La accin capilar -o capilaridad - y la imbibicin son tambin fenmenos relacionados con las uniones entre molculas de agua. Si se mantienen dos lminas de vidrio juntas y se sumerge un extremo en agua, la cohesin y la adhesin combinadas harn que el agua ascienda entre las dos lminas por capilaridad. De igualmodo, la capilaridad hace que el agua suba por tubos de vidrio muy finos, que ascienda en un papel secante, o que atraviese lentamente los pequeos espacios entre las partculas del suelo y, de esta manera, est disponible para las races de las plantas. La imbibicin, por otra parte, es la absorcin o penetracin capilar de molculas de agua en sustancias tales como la madera o la gelatina que, como resultado de ello, se hinchan. Las presiones desarrolladas por imbibicin pueden ser sorprendentementegrandes.ElaguacomosolventeDentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solucin acuosa. Una solucin es una mezcla uniforme de molculas de dos o ms sustancias. La sustancia presente en mayor cantidad, que es habitualmente lquida, se llama solvente, y las sustancias presentes en cantidadesmenores se llaman solutos. La polaridad de las molculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. Lasmolculas polares de agua tienden a separar sustancias inicas, como el cloruro de sodio (NaCl), en sus iones constituyentes.


Las molculas de agua se aglomeran alrededor de los iones con carga y los separanunosdeotros.Este diagrama muestra al cloruro de sodio (NaCl) disolvindose en el agua a medida que las molculas de sta se aglomeran alrededor de los iones individuales sodio y cloruro separndolos unos de otros. Ntese la diferencia entre el modo en que las molculas de agua estn dispuestas alrededor de los ionessodioylamaneraenquesedisponenalrededordelosionescloruro.

Muchas de las molculas importantes en los sistemas vivos que presentan uniones covalentes, como los azcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Estas molculas, por lo tanto, atraen molculas de agua y tambin se disuelven en agua. Las molculas polares que se disuelven rpidamente en agua son llamadas hidroflicas ("que aman al agua''). Estas molculas se disuelven fcilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen molculas de agua tanto o ms que lo que se atraen entre s. Las molculas polares de agua compiten de este modo con la atraccin existenteentrelasmolculasdesoluto.Molculas tales como las grasas, que carecen de regiones polares, tienden a ser muy insolubles en el agua. Los puentes de hidrgeno entre lasmolculas de agua actan como una fuerza que excluye a las molculas no polares. Como resultado de esta exclusin, las molculas no polares tienden a agruparse en el agua, al igual que las gotitas de grasa tienden a juntarse, por ejemplo, en la superficie del caldo de gallina. Dichas molculas son llamadas hidrofbicas ("que tienen aversin por el agua") y los agrupamientos se producen por interaccioneshidrofbicas.Ionizacindelagua:cidosybases


En el agua lquida hay una leve tendencia a que un tomo de hidrgeno salte del tomo de oxgeno al que est unido covalentemente, al otro tomo de oxgeno al que se encuentra unido por un puente de hidrgeno . En esta reaccin se producen dos iones: el ion hidronio (H3O+) y el ion hidrxido (OH-). En cualquier volumen dado de agua pura se encuentra ionizado de esta forma un nmero pequeo, pero constante, de molculas de agua. El nmero es constante porque la tendencia del agua a ionizarse se contrapesa con la tendencia de los iones a reunirse. As, aunque algunas molculas estn ionizndose, un nmero igual de otras molculas est formndose; este estado se conoce como equilibriodinmico.Cuando el agua se ioniza, un ncleo de hidrgeno (o sea, un protn) se desplaza del tomo de oxgeno al cual se encuentra unido covalentemente, al tomo de oxgeno con el que establece un puente de hidrgeno. Los iones resultantes son el ion hidrxido cargado negativamente y el ion hidronio cargado positivamente. En este diagrama, las esferas grandes representan al oxgeno y laspequeasalhidrgeno.

En el agua pura, el nmero de iones H+ iguala exactamente al nmero de iones OH- ya que ningn ion puede formarse sin el otro cuando solamente hay molculas de H2O presentes. Sin embargo, cuando una sustancia inica o una sustancia con molculas polares se disuelve en el agua, pueden cambiar los nmerosrelativosdelosionesH+yOH-.Por ejemplo, cuando el cido clorhdrico (HCl) se disuelve en agua, se ioniza casi completamente en iones H+ y Cl-; como resultado de esto, una solucin de HCl (cido clorhdrico) contiene ms iones H+ que OH-. De modo inverso, cuando el hidrxido de sodio (NaOH) se disuelve en agua, forma iones Na+ y OH-; as, en una solucindehidrxidodesodioenaguahaymsionesOH-queH+.Una solucin es cida cuando el nmero de iones H+ supera al nmero de iones OH-, de modo contrario, una solucin es bsica -o alcalina- cuando el nmero de iones OH- supera al nmero de iones H+. As, un cido es una sustancia que provoca un incremento en el nmero relativo de iones H+ en una solucin, y una base es una sustancia que provoca un incremento en el nmero relativo de ionesOH-.Los cidos y bases fuertes son sustancias, tales como el HCl y el NaOH, que se ionizan casi completamente en agua, dando como resultado incrementos relativamente grandes en las concentraciones de iones H+ y OH-, respectivamente. Los cidos y bases dbiles, por contraste, son aquellos que se ionizan slo ligeramente, dando como resultado incrementos relativamente pequeosenlaconcentracindeionesH+uOH-.


Dada la fuerte tendencia de los iones H+ y OH- a combinarse y la dbil tendencia del agua a ionizarse, la concentracin de los iones OH- disminuir siempre a medida que la concentracin de los iones H+ se incremente (como, por ejemplo, cuando se aade HCl al agua), y viceversa. En otras palabras, si un cido y una base de fuerzas comparables se aaden en cantidades equivalentes, la solucinnotendrunexcesonideionesH+nideOH-.Muchos de los cidos importantes en los sistemas vivos deben sus propiedades cidas a un grupo de tomos llamado grupo carboxilo, que incluye un tomo de carbono, dos tomos de oxgeno y un tomo de hidrgeno (simbolizado como -COOH). Cuando se disuelve en agua una sustancia que contiene un grupo carboxilo, algunos de los grupos -COOH se disocian y producen iones hidrgeno. As, los compuestos que contienen grupos carboxilo son dadores de iones hidrgeno, o cidos. Son cidos dbiles, sin embargo, porque el grupo -COOH se ionizaslolevemente.Entre las bases ms importantes de los sistemas vivos se encuentran los compuestos que contienen al grupo amino (-NH2). Este grupo tiene una tendencia dbil a aceptar iones hidrgeno, formando por lo tanto el grupo -NH3+. En tanto los iones hidrgeno son eliminados de la solucin por el grupo amino, la concentracin relativa de los iones H+ disminuye y la concentracin relativa de los iones OH- aumenta. Grupos, tales como el -NH2, que son aceptoresdbilesdeioneshidrgenoson,as,basesdbiles.Los qumicos expresan el grado de acidez por medio de la escala de pH . El smbolo "pH" indica el logaritmo negativo de la concentracin de iones hidrgeno en unidades de moles por litro. Los nmeros cuyos logaritmos son de inters para nosotros son las concentraciones de iones hidrgeno en las soluciones,queseexpresanenmolesporlitro.La ionizacin que ocurre en un litro de agua pura da como resultado la formacin, en el equilibrio, de 1/10.000.000 de mol de iones hidrgeno (y, como hemos notado previamente, exactamente la misma cantidad de iones hidrxido). En forma decimal, esta concentracin de iones hidrgeno se escribe como 0,0000001 mol por litro o, en forma exponencial, como 10-7 mol por litro. El logaritmo es el exponente -7 y el logaritmo negativo es 7; con referencia a la escala de pH, se lo menciona simplemente como pH 7. A pH 7 las concentraciones de H+ y OH- libres son exactamente iguales dado que estn en agua pura. Este es un estado neutro. Cualquier pH por debajo de 7 es cido y cualquier pH por encima de 7 es bsico. Cuantomenor sea el valor del pH,mayor ser la concentracin de iones hidrgeno. Dado que la escala de pH es logartmica, una diferencia en una unidad de pH implica una diferencia de 10 veces en la concentracin de iones hidrgeno. Por ejemplo, una solucin de pH 3 tiene1.000vecesmsionesH+queunasolucindepH6.Una diferencia de una unidad de pH refleja una diferencia de 10 veces en la concentracin de iones H+. Las bebidas cola, por ejemplo, son 10 veces ms cidas que el jugo de tomate. Los jugos gstricos son 100 veces ms cidos quelasbebidascola.


Casi toda la qumica de los seres vivos tiene lugar a pH entre 6 y 8. Como excepciones notables podemos mencionar los procesos qumicos en el estmago de los humanos y otros animales, que tienen lugar a pH de aproximadamente 2. La sangre humana, por ejemplo, mantiene un pH casi constante de 7,4, a pesar del hecho de que es el vehculo de gran nmero y variedad de nutrientes y otros compuestos qumicos que reparte entre las clulas, as como de la eliminacin de desechos, muchos de los cuales son cidosybases.El mantenimiento de un pH constante, un ejemplo de homeostasis , es importante porque el pH influye en gran medida en la velocidad de las reacciones qumicas. Los organismos resisten cambios fuertes y repentinos en el pH de la sangre y otros fluidos corporales por medio de amortiguadores o buffers , que son combinaciones de formas dadoras deH+ y aceptoras de H+ de cidosobasesdbiles.Los buffers mantienen el pH constante por su tendencia a combinarse con iones H+, eliminndolos as de la solucin cuando la concentracin de iones H+ comienza a elevarse y liberndolos cuando desciende. En los sistemas vivos funciona una gran variedad de buffers, siendo cada uno de ellosms efectivo al pH particular en el que las concentraciones del dador y del aceptor de H+ son iguales.MolculasorgnicasEn los organismos se encuentran cuatro tipos diferentes de molculas orgnicas en gran cantidad: carbohidratos, lpidos, protenas y nucletidos. Todas estas molculas contienen carbono, hidrgeno y oxgeno. Adems, las protenas contienen nitrgeno y azufre, y los nucletidos, as como algunos lpidos,contienennitrgenoyfsforo.Se ha dicho que es suficiente reconocer cerca de 30 molculas para tener un conocimiento que permita trabajar con la bioqumica de las clulas. Dos de esas molculas son los azcares glucosa y ribosa; otra, un lpido; otras veinte, los aminocidos biolgicamente importantes; y cinco las bases nitrogenadas, molculas que contienen nitrgeno y son constituyentes claves de los nucletidos.En esencia, la qumica de los organismos vivos es la qumica de los compuestos quecontienencarbonoosea,loscompuestosorgnicos.El carbono es singularmente adecuado para este papel central, por el hecho de que es el tomo ms liviano capaz de formar mltiples enlaces covalentes. A raz de esta capacidad, el carbono puede combinarse con otros tomos de carbono y con tomos distintos para formar una gran variedad de cadenas fuertes y estables y de compuestos con forma de anillo. Las molculas orgnicas derivan sus configuraciones tridimensionales primordialmente de sus esqueletos de carbono. Sin embargo, muchas de sus propiedades especficas dependen de grupos funcionales. Una caracterstica general de todos los compuestos orgnicos es que liberan energa cuando se oxidan. Entre los tipos


principales de molculas orgnicas importantes en los sistemas vivos estn los carbohidratos,loslpidos,lasprotenasylosnucletidos.Los carbohidratos son la fuente primaria de energa qumica para los sistemas vivos. Los ms simples son los monosacridos ("azcares simples"). Los monosacridos pueden combinarse para formar disacridos ("dos azcares") y polisacridos(cadenasdemuchosmonosacridos).Los lpidos son molculas hidrofbicas que, como los carbohidratos, almacenan energa y son importantes componentes estructurales. Incluyen las grasas y los aceites, los fosfolpidos, los glucolpidos, las ceras, y el colesterol y otros esteroides.Las protenas son molculas muy grandes compuestas de cadenas largas de aminocidos, conocidas como cadenas polipeptdicas. A partir de slo veinte aminocidos diferentes usados para hacer protenas se puede sintetizar una inmensa variedad de diferentes tipos demolculas protenicas, cada una de las cualescumpleunafuncinaltamenteespecficaenlossistemasvivos.Los nucletidos son molculas complejas formadas por un grupo fosfato, un azcar de cinco carbonos y una base nitrogenada. Son los bloques estructurales de los cidos desoxirribonucleico (DNA) y ribonucleico (RNA), que transmiten y traducen la informacin gentica. Los nucletidos tambin desempean papeles centrales en los intercambios de energa que acompaan a las reacciones qumicas dentro de los sistemas vivos. El principal portador de energa en la mayora de las reacciones qumicas que ocurren dentrodelasclulasesunnucletidoquellevatresfosfatos,elATP.


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