Geometría del agua
La molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno
unidos por sendos enlaces covalentes al átomo de oxígeno. Cada
enlace covalente implica la compartición de dos electrones entre los
átomos de hidrógeno, en que cada átomo aporta un electrón. 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 molécula de agua puede
representarse por los símbolos de los elementos de hidrógeno y
oxígeno unidos por trazos:
H-O-H. Esta fórmula insinúa una estructura lineal.
Además existen en el átomo de oxígeno dos pares de electrones, que
no participan en enlace, situados en un nivel de menor energía, o
última capa. Al considerar todos los 8 electrones situados en la última
capa del oxígeno, 2 pares enlazantes y 2 pares no enlazantes, la teoría
de Repulsión de Pares Electrónicos del Nivel de Valencia, predice la
forma de la molécula de agua. Esta teoría establece que los pares
electrónicos del nivel de valencia, que corresponden a la última capa
energética, se sitúan en el espacio de manera que entre ellos exista la
mínima repulsión ocasionada por su carga negativa. Si los cuatro
pares fuesen de igual naturaleza se podría predecir una estructura
tetraédrica regular para el agua, porque la mejor manera de acomodar
cuatro cargas negativas en el espacio, para que exista entre ellas la
mínima interacción, es situándolas en los vértices de un tetraedro,
cuyos lados subtienden un ángulo de 109,5°. Puesto que sólo dos
pares de electrones son enlazantes, éstos están compartidos entre los
núcleos de O e H y por lo tanto estos electrones están mas cerca a
ambos núcleos. Los dos pares no enlazantes están sólo localizados
sobre el átomo de O por lo que tienden a ocupar mayor espacio
alrededor de este átomo y en consecuencia a restarle espacio a los
pares enlazantes. Por lo tanto, el ángulo que subtiende las dos
uniones oxígeno-hidrógeno es 104,5°, menor que el ángulo
tetraédrico.
Si sólo se considera los núcleos de los átomos de la molécula de
agua, esta especie debería tener una estructura plana, puesto que tres
puntos, que no están en línea, definen un plano. Si ahora se considera
a los electrones enlazantes y no enlazantes de la molécula de agua, su
estructura es la de un tetraedro irregular.
Cabe deducir que si la molécula de agua no es lineal, tampoco será
una especie apolar. Una molécula polar presenta dos polos o centros
de gravitación de carga negativa y positiva que resultan de la diferente
concentración de electrones en el espacio. Aquel sitio donde exista
una mayor concentración da origen a un centro donde gravita carga
negativa y en el otro extremo de ese espacio gravitará, por
consecuencia, carga positiva.

Al existir un dipolo en tal molécula, ésta puede atraer a sus vecinas
por fuerzas de atracción entre cargas de diferente signo.
.
Estas fuerzas se denominan atracción dipolo-dipolo, las cuales son
importantes en sustancias al estado líquido o sólido donde la cercanía
molecular es muy grande.
Polaridad del agua
La polaridad de la molécula de agua no sólo es consecuencia de su geometría
tetraédrica irregular, sino que también de la
naturaleza de sus átomos: hidrógeno, el
átomo más pequeño de la Química, y
oxígeno, un átomo pequeño, pero
principalmente de alta electronegatividad.
Este término denota a los átomos que
presentan gran capacidad de atraer
electrones de enlace hacia sí. Por lo tanto,
el átomo de oxígeno de la molécula de agua
atrae hacia sí los electrones de los enlaces
covalentes con los hidrógenos; 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 molécula de agua
podrá representarse como el dibujo de la izquierda.
Puentes de hidrógeno
Dado que el átomo de oxígeno es pequeño y bastante electronegativo,
la concentración de electrones en su entorno es elevada, por lo que las
cargas negativa sobre oxígeno y positiva entre los átomos de
hidrógeno son considerables. Se deduce que las atracciones dipolo-
dipolo entre moléculas de agua son importantes, en realidad muy
fuertes, porque las moléculas polares de agua, siendo pequeñas,
pueden acercarse mucho más que moléculas mayores y pueden
atraerse fuertemente por su gran polaridad. Esta atracción dipolo-dipolo
que es inusualmente fuerte y en la que participa el átomo de hidrógeno
se denomina puente de hidrógeno.

Esta asociación intermolecular que
se da en el agua líquida y en el hielo,
se suele representar por una línea de
puntos. En el hielo, la longitud del
enlace de hidrógeno es de 1,77 Å que
se compara con la longitud del enlace
covalente H-O de 0,99 Å.
Esta estructura muestra que cada átomo de oxígeno de las moléculas
de agua que forman una masa de hielo está unido por dos enlaces
covalentes a sendos átomos de hidrógeno y por puente de hidrógeno a
moléculas vecinas. La energía de los puentes de hidrógeno es
aproximadamente un 1% del enlace covalente. Esta gran diferencia de
energía hace la distinción entre el enlace covalente, que es un enlace
químico y por lo tanto muy fuerte, y el mal llamado enlace de
hidrógeno, que sólo es una asociación física, porque es una atracción
dipolo-dipolo.
las moléculas de agua se atraen unas a otras por medio de puentes de
hidrógeno. Éste se caracteriza porque el hidrógeno (con carga
positiva) de una molécula de agua se une con el oxígeno (con carga
negativa) de una molécula de agua vecina. Esta atracción es lo
bastante fuerte para hacer que la gota de agua se mueva hacia el agua
que se encuentra en el pa

Se explicó que en la
molécula de agua los pares
electrónicos enlazantes y no
enlazantes están orientados
hacia los vértices de un
tetraedro irregular, por lo
que al considerar una masa
de hielo, sus moléculas
forman una inmensa red
tridimensional altamente
ordenada que evita que las
moléculas se acerquen
mucho entre sí. El puente
de hidrógeno que se
establece, hace que las
moléculas de agua adopten
una estructura que deja
huecos hexagonales que
forman una especie de
canales a través de la red
tridimensional.
¿Por qué se derrite el
hielo?
Cuando la energía externa
o medio ambiental es
superior a la que se
encuentra en la masa de
hielo, existe mayor vibración
entre las moléculas de
agua, y, como
consecuencia, se rompe
dicha red tridimensional
para dar paso al agua
líquida que se caracteriza
por su falta de forma
http://www.puc.cl/quimica/agua/estructura.htm

El agua: La vida se apoya en su comportamiento anormal
El agua, una molécula simple y extraña, puede ser considerada como el
líquido de la vida. Es la sustancia más abundante en la biosfera, dónde la
encontramos en sus tres estados y es además el componente mayoritario de
los seres vivos, pues entre el 65 y el 95% del peso de de la mayor parte de
las formas vivas es agua.
El agua fue además el soporte donde surgió la vida. Molécula con un extraño
comportamiento que la convierten en una sustancia diferente a la mayoría
de los líquidos, posee una manifiesta reaccinabilidad y posee unas
extraordinarias propiedades físicas y químicas que van a ser responsables
de su
importancia biológica.
Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente
acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las
inusitadas propiedades del agua.
Estructura del agua
•
Propiedades físicoquímicas
•
1. Acción disolvente
2. Elevada fuerza de cohesión
3. Elevada fuerza de adhesión
4. Gran calor específico
5. Elevado calor de vaporización
Funciones biológicas
•
Ionización del agua
•
o Disociación del agua
o Producto iónico del agua
o Concepto de pH
o Sistemas tampón
Ósmosis y fenómenos osmóticos
S
Las sales minerales

Estructura del agua
La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de
O por medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los
orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces
H-O-H
aproximadamente de 104'5:, además el oxígeno es más electronegativo que
el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.
Fig.1
Fig.3
Fig.2
El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra
(igual número de protones que de electrones ), presenta una distribución
asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar,
alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa ,
mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos
parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de
carga positiva.
Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo

Fig.4
Fig.5
Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas
de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial
negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre
las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas
adyacentes.
Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de
agua se dispongan otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno
permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo
reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la
peculiaridad de sus propiedades físicoquímicas.
Principio de página
Propiedades del agua
1. Acción disolvente
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que
es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante
para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de
hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares
o con carga iónica ( alcoholes, azúcares con grupos R-OH ,
aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo
que da lugar a disoluciones moleculares Fig.7. También las moléculas
de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando
disoluciones iónicas.(Fig.6)

Fig.6 Fig.7
En el caso de las disoluciones iónicas (fig.6) los iones de las sales son
atraídos por los dipolos del agua, quedando \"atrapados\" y recubiertos
de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados.
La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones :
1. Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo
2. Sistemas de transporte
Este efecto puede verse en esta animacisn, donde vemos a las moliculas de agua separando
los iones, e impidiendo que istos vuelvan a unirse.
2. Elevada fuerza de cohesión
Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua
fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la
convierte en un líquido casi incomprensible. 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.
3. Elevada 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 y
es responsable, junto con
la cohesión del llamado
fenómeno de la
capilaridad. Cuando se
introduce un capilar
(Fig.8) en un recipiente
con agua, ésta asciende
por el capilar como si
trepase agarrándose por
las paredes, hasta
Fig.8 alcanzar un nivel superior
al del recipiente,
donde la presión que ejerce la columna de agua , se equilibra con la
presión capilar. A este fenómeno se debe en parte la ascensión de la
savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos
leñosos.
3. Gran calor específico
También esta propiedad está en relación con los puentes de
hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede
absorber grandes cantidades de \"calor\" que utiliza para romper los
p.de h. por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto
permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios
de temperatura. Así se mantiene la temperatura constante .
4. Elevado calor de vaporización
Sirve el mismo razonamiento, también los p.de h. son los responsables
de esta propiedad. Para evaporar el agua , primero hay que romper los
puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la
suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa.
Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una
temperatura de 20: C.
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Funciones del agua
Las funciones del agua se relacionan íntimamente con las propiedades
anteriormente descritas. Se podrían resumir en los siguientes puntos
1. Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas

Amortiguador térmico
2.
Transporte de sustancias
3.
Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos
4.
Favorece la circulación y turgencia
5.
Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos
6.
Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo,
7.
aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.
Inicio
Ionización del agua
Disociación del agua
Fig.9
El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en
realidad se puede considerar una mezcla de :
agua molecular (H2O )
•
protones hidratados (H3O+ ) e
•
iones hidroxilo (OH-)
•
En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el
producto iónico del agua a 25: es
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la
concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa
que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para
simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas

concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el
logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones.
Según ésto:
disolución neutra pH = 7
•
disolución ácida pH < 7
•
disolución básica pH > 7
•
En la figura 10 se señala el pH de algunas soluciones. En general hay
que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la
neutralidad.
Figura 10
Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas
décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la
evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el pH
constante mediante mecanismos homeostáticos. Los sistemas tampón
consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y
aceptor de protones respectivamente.
El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares,
mantiene el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre
el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en
dióxido de carbono y agua:

Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por
cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se
elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario
disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio
se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio
exterior.
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Ósmosis
1. Ósmosis y presión osmótica
Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración
separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el
disolvente pero no el soluto ), se pruduce el fenómeno de la ósmosis
que sería un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del agua
( disolvente ) a través de la membrana semipermeable desde la
solución más diluida ( hipotónica ) a la más concentrada
(hipertónica ), este trasiego continuará hasta que las dos soluciones
tengan la misma concentración ( isotónicas o isoosmóticas ).
Figura 11
Y se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria
para detener el flujo de agua a través de la membrana
semipermeable.
La membrana plasmática de la célula puede considerarse como
semipermeable, y por ello las células deben permanecer en equilibrio
osmótico con los líquidos que las bañan.

Figura 12
Cuando las concentraciones de los fluidos extracelulares e
intracelulares es igual , ambas disoluciones son isotónicas.
Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos
se hacer hipertónicos respecto a la célula, y ésta pierde agua, se
deshidrata y mueren (plamólisis).
Y si por el contrario los medios extracelulares se diluyen, se hacen
hipotónicos respecto a la célula, el agua tiende a entrar y las células
se hinchan, se vuelven turgentes ( turgescencia ), llegando incluso a
estallar. (Figura 12).
2. La difusión y la diálisis
Los líquidos presentes en los organismos son dispersiones de diversas
sustancias en el seno del agua. Según el tamaño de las partículas se
formarán dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas como
ocurre con las que se forman con las sales minerales o por sustancias
orgánicas de moléculas pequeñas, como los azúcares o aminoácidos.

Las partículas dispersas pueden provocar
además del movimiento de ósmosis , estos
otros dos:
La diálisis. En este caso pueden atravesar la
membrana además del disolvente, moléculas
de bajo peso molecular y éstas pasan
atravesando la membrana desde la solución
más concentrada a la más diluida. (Figura 13).
Es el fundamento de la hemodiálisis que
intenta sustituir la filtración renal deteriorada.
La difusiónsería el fenómeno por el cual las
moléculas disueltas tienden a distribuirse
uniformemente en el seno del agua. Puede
ocurrir también a través de una membrana si
es lo suficientemente permeable.
Figura 13
Así se realizan los intercambios de gases y de algunos nutrientes
entre la célula y el medio en el que vive.
Principio de página
Sales minerales
Además del agua existe otras biomoléculas inorgánicas como las sales
minerales. En función de su solubilidad en agua se distinguen dos tipos:
insolubles y solubles en agua.
1. Sales insolubles en agua.
Forman estructuras sólidas, que suelen tener función de sostén o
protectora, como :
Esqueleto interno de vertebrados, en el que encontramos :
o
fosfatos, cloruros, y carbonatos de calcio
o Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos.
o Endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas
(impregnación con sílice).
o Otolitos del oído interno,formados por cristales de carbonato
cálcico (equilibrio).
2. Sales solubles en agua.

Se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones ) que son
los responsables de su actividad biológica. Desempeñan las siguientes
funciones:
Funciones catalíticas. Algunos iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+,
o
Zn+,...actúan como cofactores enzimáticos
Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados
o
con la distribucisn de agua entre el interior celular y el medio
donde vive esa cilula. Los iones de Na, K, Cl y Ca, participan en
la generacisn de gradientes electroqummicos, imprescindibles
en el mantenimiento del potencial de membrana y del potencial
de accisn y en la sinapsis neuronal.
Función tamponadora. Se lleva a cabo por los sistemas
o
carbonato-bicarbonato, y tambiin por el monofosfato-
bifosfato
http://www.arrakis.es/~lluengo/agua.html#GlossTop
http://www.comoves.unam.mx/articulos/agua_recurso/agua.html
El agua cubre aproximadamente el 75% de la superficie terrestre; es fundamental para
los procesos tanto ambientales como sociales e indispensable para el surgimiento y
desarrollo de la vida. En la actualidad estamos alterando los sistemas acuáticos a un
ritmo acelerado y enfrentamos gravísimos problemas relacionados con el uso y
mantenimiento de este valioso recurso.
El agua forma una gran capa, que llamamos hidrósfera, sobre la superficie terrestre y se
estima que su área de distribución cubre 510 millones de . El volumen total de agua en el
planeta es de aproximadamente 1 390 millones de . Éstas son las reservas de agua de la
Tierra y de ellas sólo el 0.26% es directamente utilizable por la especie humana. El agua de
mar, que es la que cubre gran parte del planeta, contiene 33 partes por mil de sales disueltas,
por lo que sería necesario que pasara por un tratamiento previo para que pudiéramos darle
los usos del agua dulce.

Ilustraciones: Carlos Durand
El agua es indispensable para la vida, y la que se encuentra en nuestro cuerpo debe tener
ciertas características, como son que posea un cierto contenido y cantidad de sales y carezca
de organismos que dañen la salud. Para que podamos consumirla y utilizarla en nuestras
casas, en la producción de alimentos de origen vegetal o
animal y en la industria, el agua debe ser dulce y de cierta
calidad.
El ciclo del agua
Podemos decir que el agua, igual que la energía, no se
crea ni se destruye, sólo se transforma. Está en continua
circulación y movimiento, cambiando de un estado a otro,
pero su cantidad en el planeta permanece constante. Y el
agua que llueve, se almacena o evapora en los arroyos,
ríos, lagos, lagunas y zonas costeras finalmente llega a
los océanos, forma parte de lo que se denomina el ciclo
hidrológico, que consiste en tres fases principales: la
precipitación, la evaporación y el flujo, tanto superficial
como subterráneo. Cada una de estas fases involucra
transporte, almacenamiento temporal y cambio de estado
del agua (sólido, líquido y gaseoso), dependiendo de
varios factores, como son la temperatura a la que se
encuentra el agua, la latitud de la zona geográfica y la
época del año.
El agua se almacena en distintos sistemas acuáticos, como son mares y océanos, lagos,
presas, ríos, acuíferos, pantanos y casquetes polares, y en cada uno se mantiene por lapsos
distintos. Pero de todos estos sistemas, únicamente de los de agua dulce depende en gran
medida el funcionamiento de los seres vivos que no son marinos: las plantas y animales que
necesitan de agua dulce para vivir y que son base del desarrollo y mantenimiento de la
humanidad sobre la Tierra.
Las reservas de agua dulce están siendo utilizadas por la especie humana a una tasa
extremadamente veloz, mucho más rápido de lo que tardan en recuperarse, por lo que este
recurso, considerado como renovable, se empieza a transformar en no renovable
Cantidad y calidad
La cantidad de agua con la que contamos en la Tierra no aumenta ni disminuye, pero la
población humana sí ha crecido drásticamente, y por lo tanto ha crecido también la necesidad

que tenemos de este recurso. Además, si bien la cantidad de agua es constante, no lo es la
forma en que se distribuye en el tiempo: es irregular a lo largo del año y también varía en
diferentes años dependiendo de las condiciones climáticas globales. De igual forma, los distintos
ecosistemas, como las selvas húmedas, los bosques de pinos, los matorrales, los pastizales o los
desiertos, influyen sobre la forma y la cantidad de agua que penetra en los sistemas de acuíferos,
su conservación en el suelo o su paso a la atmósfera, lo que ocasiona que la disponibilidad de
este recurso sea variable en cada región del planeta.
Además de la distribución geográfica y temporal, la calidad del agua es otro factor a considerar,
ya que una parte importante del total de agua dulce con el que contamos resulta inutilizable
debido a que lo hemos modificado al contaminar los sistemas acuáticos con una gran diversidad
de sustancias como: metales, grasas, aceites, derivados de combustibles, disolventes
industriales, así como miles de tipos de microorganismos.
Más de 2.2 millones de personas mueren al año
por enfermedades relacionadas con el uso de
agua contaminada.

Es importante considerar que aun si se cuenta con la cantidad de agua necesaria, ésta puede no
cumplir con ciertas condiciones que permitan un uso adecuado. Es diferente un agua para uso y
consumo humano de la que se utilizará para riego, o la destinada al cultivo de organismos
acuáticos, generación de energía eléctrica o para uso industrial. El problema en algunas zonas
es que la misma agua se aplica a cualquier uso, sin tener en cuenta su calidad, lo que provoca
serios problemas. Los relacionados con aspectos de salud son de suma importancia, pero
también lo son los que están provocando cambios, en su mayoría irreversibles, en los
ecosistemas del planeta.
Cuando se hace referencia a la calidad del
agua es necesario puntualizar qué tipo de
sustancia contiene, ya sea suspendida o
disuelta (sales, metales, hidrocarburos,
plaguicidas, etc.), o bien de qué organismo
(virus, bacterias, parásitos, etc.) se trata y en
qué concentración o cantidad se encuentra,
para entender la alteración del agua o del
sistema acuático y qué tan seria, reversible o
irreversible es.
En zonas urbanas existen diversas fuentes
contaminantes que alteran la calidad del agua
de los cuerpos superficiales como son los
lagos y ríos, los cuales acarrean sustancias y
organismos hacia las lagunas y zonas
costeras. Pero, aun cuando no los vemos,
también estamos contaminando los sistemas
de agua subterránea con una gran variedad
de compuestos y de organismos que son
liberados en la superficie y migran o se
desplazan hacia abajo hasta llegar a los acuíferos.
Recursos de agua dulce
Metros cúbicos anuales
Región promedio per cápita
Oceanía 53 711
Sudamérica 36 988
África Central 20 889
América del Norte 16 801
Europa del Este 14 818
Europa Occidental 1 771
Asia Central y del Sur 1 465
África del Sur 1 289
África del Norte 495
Fuente: United Nations Environment Programme 2002
Los compuestos o contaminantes pueden incorporarse a los cuerpos de agua en forma puntual,
esto es, en un solo lugar, o bien de manera difusa, abarcando toda una región. Por lo general, en
un sólo sistema de almacenamiento de agua, como un lago por ejemplo, se dan varios tipos de
contaminación.

Las zonas rurales agrícolas en la cuales se utilizan fertilizantes y plaguicidas son ejemplos de
contaminación de tipo no puntual o difusa, que produce problemas en amplias zonas de riego, en
las que se desecha el agua que contiene esos compuestos. Lo mismo sucede en la actividad
pecuaria, donde se generan una serie de alteraciones por microorganismos que son arrastrados
a los cuerpos de agua, contaminándolos.
La mayor demanda de agua se da en las grandes ciudades o megalópolis, en las que el
problema de su abasto está ligado a la salud y el bienestar de miles o millones de personas que
en ellas habitan y que dependen para vivir de que existan recursos hídricos suficientes en la
región.
Crisis del nuevo siglo
El agua utilizable por el ser humano se ha reducido en gran medida, lo que en pleno siglo XXI
nos ha llevado a enfrentar una importante crisis mundial en torno al agua. Por ahora los conflictos
por el agua se dan sólo entre regiones, por ejemplo los que existen en la frontera norte de México
con los Estados Unidos por el río Bravo y el río Colorado, pero es muy posible que la necesidad
de este recurso desencadene en parte las guerras del futuro.
Alrededor de dos millones de toneladas de
desechos son arrojados diariamente a los
distintos sistemas de almacenamiento de aguas,
incluyendo residuos industriales, de fertilizantes y
de plaguicidas.
Y nosotros ¿qué podemos hacer
para utilizar el agua adecuadamente
y cooperar para que esta crisis no
continúe y llegue a dimensiones
irreversibles?
Los diferentes autores de este
número de la revista ¿Cómo ves?
intentamos introducir al lector al
tema del agua desde diferentes
perspectivas. Esperamos con este
número convencerlo de la
importancia del agua como recurso
no renovable y de la necesidad de
que cada uno pongamos nuestro
“granito de arena” para usarla de la
manera mas adecuada y ayudar a su
conservación

Estructura del agua
La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por
medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del
oxígeno determina un ángulo entre los enlaces
H-O-H
aproximadamente de 104'5:, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno
y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace. El resultado es que la molécula de
agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones ),
presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una
molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa ,
mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de
sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.
Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo
Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua,
formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial negativa del oxígeno de
una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los
átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes. Aunque son uniones débiles, el
hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro molécula
unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una
estructura de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y
de la peculiaridad de sus propiedades físicoquímicas.
Propiedades del agua
1. Acción disolvente
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente
universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad
para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos
polares o con carga iónica ( alcoholes, azúcares con grupos R-OH , aminoácidos y
proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones
moleculares Fig.7. También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias salinas
que se disocian formando disoluciones iónicas.(Fig.6)

En el caso de las disoluciones iónicas (fig.6) los iones de las sales son atraídos por los
dipolos del agua, quedando \"atrapados\" y recubiertos de moléculas de agua en forma de
iones hidratados o solvatados.
La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones:
1. Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo
2. Sistemas de transporte
2. Elevada fuerza de cohesión
Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando
una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible. 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.
3. Elevada 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 y es
responsable, junto con la cohesión del llamado fenómeno de la capilaridad. Cuando se
introduce un capilar (Fig.8) en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como
si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente,
donde la presión que ejerce la columna de agua , se equilibra con la presión capilar. A
este fenómeno se debe en parte la ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las
hojas, a través de los vasos leñosos. 3. Gran calor específico
También esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman
entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de \"calor\" que
utiliza para romper los p.de h. por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto
permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura.
Así se mantiene la temperatura constante.
4. Elevado calor de vaporización
Sirve el mismo razonamiento, también los p.de h. son los responsables de esta propiedad.
Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las
moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la
gaseosa.
Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20: C.
Cuando se calienta un objeto, su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y
temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están
relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes. El calor es la energía total del
movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la
energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número,
su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por

ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la
temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por
lo tanto más energía térmica total. El calor es lo que hace que la temperatura aumente o
disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura
disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están
moviendo, vibrando y rotando con mayor energía. Si tomamos dos objetos que tienen la
misma temperatura y los ponemos en contacto, no habrá transferencia de energía entre
ellos porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma. Pero si la
temperatura de uno de los objetos es más ala que la otra, habrá una transferencia de
energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los dos objetos alcancen la
misma temperatura. La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el
calor sí es energía.
El agua es la única sustancia que podemos encontrar en la Tierra de forma natural como
gas (vapor de agua), líquido o sólido (hielo) La densidad es la medida que nos dice cómo
de compacta es una sustancia. Se define como la unidad de masa dividida po el volumen
que ocupa. Normalmente los sólidos suelen ser la forma más densa de cualquier sustancia,
después los líquidos y después los gases. Normalmente la densidad disminuye con el
aumento de temperatura. Sin embargo el agua pura es una excepción a todo esto ya que
alcanza su mayor densidad cuando se encuentra a 4ºC. Cuando el agua se convierte en
hielo los puentes de hidrógeno le dan una estructura perfecta y ordenada que hace que sea
menos denso que el agua líquida a bajas temperaturas y por eso el hielo flota sobre el
agua.
Añadir sal al agua aumenta su densidad e impide la formación de puentes de hidrógeno.
Esto se traduce en que, al contrario que el agua pura, el agua salada no tiene su máxima
densidad a 4ºC sino cuando se congela y también se traduce en que el agua salada se
congela a temperaturas por debajo de 0ºC (por eso se pone sal en las carreteras en
invierno, para que el hielo tarde más en formarse)

El agua tiene un calor específico muy alto, lo que significa que se necesita mucha energía
para aumentar su temperatura (se necesita energía para romper los puentes de hidrógeno).
Como la superficie de la Tierra está cubierta en un 71% por agua la energía que viene del
Sol sólo produce cambios muy pequeños en la temperatura del planeta. El agua evita que
la temperatura sea demasiado alta o demasiado baja y permite que pueda haber vida sobre
la Tierra. El calor se almacena en el agua durante el verano y se libera durante el invierno.
Los océanos actúan como moderadores del clima reduciendo las diferencias de
temperatura durante las estaciones.
· El agua también tiene un alto calor latente de evaporación, esto significa que hace falta
mucha energía para evaporar el agua líquida. A medida que el vapor de agua se mueve de
las zonas más cálidas a otras más templadas el vapor se condensa de nuevo formando
lluvia. Este proceso libera energía y calienta el aire ligeramente. A nivel global hay una
gran cantidad de energía involucrada en estos procesos dando lugar a importantes
tormentas y vientos.
· Muchas sustancias se disuelven en agua fácilmente y son estabilizadas por los puentes
de hidrógeno, así se permite el transporte de oxígeno, de dióxido de carbono, nutrientes y
se hacen posibles los procesos biológicos.
· Las moléculas de aceite no tienen carga eléctrica y por lo tanto no pueden romperse en
moléculas más pequeñas y estabilizarse en el agua. El aceite no es soluble en el agua.
I. Composición del agua de mar
1. 96.5 % es agua
2. 3.5 % sales además de material en suspensión: orgánico e inorgánico, y gases disueltos
II. Agua
Debido a los datos anteriores, varias de las propiedades del agua de mar se rigen por las propiedades del agua pura.
La estructura de la molécula de agua, H2O es la clave de las propiedades distintivas.
1. La molécula de agua forma un dipolo eléctrico.- Los átomos de hidrógeno tienen una carga positiva y el átomo de oxígeno dos
cargas negativas, como están arreglados los átomos, NO se neutralizan las cargas.
2. El agua tiene alto poder de disociación, es decir, separa los materiales en iones cargados de electricidad.
3. Los átomos de hidrogeno están 105° aparte.- Esta ubicación es cercana a la ubicación de átomos en un tetraedro.
1. Cuando al agua se hace hielo todas las moléculas forman un tetraedro, por ello, se expande el volumen, i.e, decrece la
densidad: El hielo flota.
2. La densidad decrece más rápido cuando se esta cerca del punto de congelación.
3. El punto de congelación decrece con la presión.
Temperatura

El calor es la energía que se transfiere de cuerpos calientes a cuerpos fríos.
El sol es la fuente de calor más importante de los océanos.
La temperatura (T) es la medida de la energía cinética de las moléculas en movimiento.
T es una variable del estado termodinámico del océano, es decir es una propiedad
macroscópica. Las unidades son grados Celsius.
Debido a la estructura de las moléculas de agua
a. El agua se congela a 0 °C
b. El agua hierve a 100 °C
c. Los océanos tienen una alta capacidad calorífica
d. Asimismo tienen un calor latente de fusión alto
e. Y un calor latente de evaporización alto.
f. Al agua de mar es un buen conductor de calor comparado con otros líquidos.
g. El agua alcanza su máxima densidad a 4.0 °C
La temperatura de los océanos se encuentra entre 0 °C y 30 °C. Aunque en los polos
puede haber temperaturas de -2 °C.
Salinidad
Contenido de sales en el agua de mar.
La conductividad se determina por la cantidad de sales del agua de mar.
En 1902 la salinidad se definió como la cantidad total, en gramos, contenidos en un
kilogramo de agua de mar, cuando todos los carbonatos se han convertido en óxidos, todo
los bromuros y ioduros en cloruros y toda la materia orgánica ha sido oxidada.
Knudsen (1902) encontró la relación
S(0/00) = 0.03 + 1.805 Cl (0/00)
donde Cl es la clorinidad.
El símbolo 0/00 se lee partes por mil. El contenido de 3.5 % de sal es equivalente a 35
0/00 o 35 gr de sal por un kilogramo de agua.
Cox (1969) encontró la relación:
S(0/00) = 1.806555 Cl (0/00)
Las fórmulas de 1902 y 1969 dan resultados parecidos para una salinidad cercana a 35
(0/00).
En 1978 se establece la escala práctica de salinidad (PSU), la cual se determina por la
relación
S = 0.0080 - 0.1692 K1/2 + 25.3853 K + 14.0941 K3/2 - 7.0261 K2 + 2.7081 K5/2

donde S es la salinidad práctica y la K es
K = (Conductividad de la muestra de agua a 15 °C y a la presión de 1 atms )/
(Conductividad del agua estándar a 15 °C, 35 0/00 y presión de 1 atms)
En esta definición ya no se usa 0/00.
35 0/00 = 35 PSU.
Ahora la clorinidad es una cosa aparte, ya no se necesita para calcular salinidad.
Salinidad promedio de los océanos = 34.72 0/00
En el rango 34 - 35 0/00 se encuentra el 92.2 % del agua de mar
http://www.alipso.com/monografias4/Estructura_del_agua/
LA ESTRUCTURA MOLECULAR DEL AGUA.(fin de
pagina)
¿Hay algo aparentemente más simple que el agua? Pese
a su aparente simplicidad este líquido que tan bien
conocemos es complejo y todavía no lo comprendemos
bien. El agua está dotada de unas excepcionales
propiedades físico - químicas que constituyen su
especificidad. Como pone de manifiesto este artículo, la
estructura microscópica del agua líquida, que está en la
base de estas propiedades, es un tema de investigación
que puede aportar algunas novedades.
El agua es uno de los cuatro «elementos» que el filósofo griego Aristóteles
había definido como constituyentes del Universo (los demás son el aire, la
tierra y el fuego). Todavía hoy no es el que mejor comprendemos. Dada
nuestra familiaridad con el agua, el hecho no deja de ser sorprendente.
Océanos, lagos, ríos, precipitaciones; abundante en casi todas las regiones de
la Tierra, el agua determina en gran parte los paisajes y los climas.
Muy a menudo es sinónimo de vida: el agua es un componente esencial de la
estructura y el metabolismo de todos los seres vivos. Ciertamente, este papel
primordial del agua no hay que atribuirlo al azar sino que deriva de sus
excepcionales propiedades físicas y químicas. Un ejemplo de propiedad

biológicamente importante del agua es su efecto hidrófobo, es decir, el hecho
de que los grupos hidrocarbonados CH tienden a ser repelidos por las
moléculas de agua. Este efecto es responsable, en parte al menos, de las
complejas estructuras espaciales que presentan las proteínas, el ADN y las
bicapas lipidicas de las membranas celulares. En ausencia de agua, todas estas
estructuras serían inestables. Cabe decir incluso, sin demasiado riesgo de
error, que este efecto pudo desempeñar un papel determinante en la aparición
de la vida sobre la Tierra. Pero el efecto hidrófobo no es la única propiedad
interesante del agua. En lo que sigue nos encontraremos con otras.
¿Por qué es el agua una sustancia química tan privilegiada? La respuesta,
claro está, se encuentra en la molécula y sus interacciones con el medio
ambiente. Las moléculas de agua son relativamente bien conocidas pero las
interacciones que se
establecen en un grupo de moléculas de agua lo son menos. No obstante, son
éstas las que contribuyen en gran parte a que el agua sea un liquido
excepcional.
El agua fue considerada como un cuerpo simple hasta el siglo XVIII. En 1781
el químico (y teólogo) inglés Joseph Priestley realizó su síntesis por
combustión del hidrógeno. Los químicos Antoine-Laurent Lavoisier y Henrv
Cavendish demostraron que el agua estaba formada por hidrógeno y oxigeno.
Más tarde, en 1805, el químico francés Louis-Joseph Gay-Lussac y el sabio
prusiano Alexandei- von Humboldt determinaron que el cociente de
volúmenes hidrógeno/oxigeno valía 2, lo cual condujo finalmente a la fórmula

molecular H20. La molécula de agua está formada por dos átomos de
hidrógeno y uno de oxígeno.
En la molécula de H,O, cada átomo de hidrógeno está unido al átomo de
oxígeno por un enlace covalente. En este enlace, relativamente fuerte, el
átomo de hidrógeno y el átomo de oxígeno ponen en común un electrón cada
uno. Estos átomos adquieren así un electrón añadido: el átomo de hidrógeno
se encuentra con dos electrones en vez de uno y el de oxígeno con ocho
electrones periféricos en vez de seis (porque participa en dos enlaces). Como
se sabe, estos números corresponden a capas electrónicas externas completas
que confieren una gran estabilidad a la molécula.
Figura 1. El agua, ese liquido excepcional en tantos aspectos, está formada por moléculas H2O de
geometría tetraédrica: los dos enlaces covalentes OH y los dos dobletes electrónicos libres (representados
aquí con dos flechas) del átomo de oxígeno apuntan hacia los vértices de un tetraedro en cuyo centro
esta el oxigeno (a). Las moléculas de agua pueden agruparse entre si gracias a unos enlaces de tipo
electrostático llamados enlaces de hidrogeno, cuyo papel es determinante para las propiedades del agua.
Puede establecerse un enlace de hidrogeno (B) entre el átomo de hidrogeno de una molécula y el de
oxigeno de otra próxima. La configuración O-H....H es lineal.
La distribución de los electrones en el enlace covalente OH no es simétrica:
los electrones están más fuertemente atraídos por el átomo de oxigeno que por
el de hidrógeno. Como consecuencia, el oxigeno queda cargado
negativamente y los hidrógenos positivamente. Este desequilibrio en la
distribución de las cargas eléctricas, añadido a la geometría no lineal de la

molécula de agua (fíg. IA) se traduce en la existencia de un «momento dipolar
- eléctrico». Este desequilibrio eléctrico es responsable del gran poder
disolvente del agua para con los cristales iónicos (determinadas sales, ácidos o
bases). Las moléculas de agua pueden insertarse entre los iones constitutivos
del crístal orientando hacia ellos la parte de carga eléctrica opuesta. El
apantallamiento resultante debilita considerablemente la atracción entre los
iones cristalinos, reduciendo la cohesión del cristal y facilitando su disolución.
El enlace de hidrógeno, elemento principal de la estructura del agua.
Pero la clave de muchas propiedades del agua reside en los enlaces que la
molécula de agua puede formar con sus vecinas. Hemos visto ya que en la
molécula de H20 el átomo de oxigeno posee ocho electrones periféricos, de
los cuales sólo cuatro están implicados en los enlaces covalentes OH con los
dos átomos de hidrógeno. Los cuatro electrones restantes se agrupan en dos
pares llamados dobletes electrónicos libres. Cada uno de estos dobletes, de
carga
Figura 2. La estructura cristalina del
hielo consiste en una red
tetraédrica de moléculas H2O unidas
entre si por enlaces de
hidrogeno. Los átomos de oxigeno se
representan de color rojo
y los de hidrogeno de color gris. Los
enlaces de hidrogeno
se simbolizan con rayas entre las
moléculas. Como señala
el autor del articulo, estas estructuras
cristalinas se dan incluso
en el agua liquida.
eléctrica negativa, puede formar un enlace de tipo electrostático con un átomo
de hidrógeno, cargado positivamente, de una molécula de agua vecina (fig.
IB); este «enlace de hidrógenos es lineal: el atomo 0 de la molécula está
alineado con el grupo HO de la molécula vecina (véase «El enlace de
hidrógeno», Mundo Cienitífico, nº 92, junio, 1989). Aunque estable a
temperatura ambiente, el enlace de hidrógeno es frágil comparado con el
enlace covalente; no es de extrañar, pues, su importancia en las reacciones
bioquímicas, donde las energías puestas en juego son pequeñas.

Las características del agua derivan en gran medida de la geometría de su
molécula. En la molécula de agua, la geometría formada por las direcciones de
los dos enlaces covalentes y los dos dobletes electrónicos libres se aproxima
mucho a un tetraedro centrado en el átomo de oxígeno. De ahí deriva, en el
hielo de modo permanente y en el agua liquida de modo transitorio, la
existencia de estructuras de asociaciones en las cuales los átomos de oxígeno
del agua se encuentran en los vértices de una red (cuasi)-tetraédrica (fig. 2).
Una de las propiedades más curiosas del agua consiste en que el hielo flota en
agua fría. La densidad del agua aumenta con la temperatura entre 0 ºC y 4 ºC
y empieza a decrecer a más altas temperaturas. Esta notable propiedad del
agua puede comprenderse bastante fácilmente en términos de enlaces de
hidrógeno; se sabe que la red tetraédrica del hielo formada por los enlaces de
hidrógeno no corresponde al apilamiento más compacto posible de las
moléculas. Cuando el hielo se funde, parte de los enlaces de hidrógeno se
rompen, lo cual permite que las moléculas de agua se acerquen un poco más
que cuando todos los enlaces están presentes. De ahí que aumente la densidad.
Suele atribuirse al físico alemán W.C. Róntgen el mérito de haber sido el
primero, en 1892, en proponer la presencia de estructuras moleculares
«glaciformes» en el estado líquido del agua para tratar de explicar las distintas
propiedades de esa sustancia.(1) Pero los auténticos hitos en la investigación
moderna de la estructura del agua son los trabajos de los químicos ingleses
J.D. Bernal y R.H. Fowler de la universidad de Cambridge.(2) Estos trabajos,
basados en experimentos de difracción de rayos X, describieron la
distribución de las moléculas de agua alrededor de otra dada tomada como
centro. La figura 3 ilustra los resultados más recientes, que datan de 1967, de
A.H. Narten y sus colaboradores de Oak Ridge, en Estados Unidos. En ellos
se estudíaba la función de distribución radial g(R), número medio de
moléculas por unidad de volumen del líquido, situadas a una distancia R de
una molécula dada, para un intervalo de temperaturas comprendido entre 4 ºC
y 200 ºC .(3,4) La función de dístribución radial, deducida de los
experimentos de difraccíón por rayos X, es de crucial importancia para el
estudio de la estructura del agua. Esta función posee picos en aquellos lugares
en que la densidad electrónica es elevada, es decir, alli donde se encuentra una
molécula de agua. El primer pico, que corresponde a las moléculas más
próximas, está situado a mayor distancia en las moléculas de agua liquida que
en el hielo. Pero, como hemos visto, la densidad del agua, a bajas
temperaturas al menos, es mayor que la del hielo. Ello sugiere que la distancia
entre las moléculas más cercanas tendria que ser menor en el agua que en el
hielo. Esta contradicción puede resolverse en el marco de un modelo en el que
el agua contiene dos tipos de moléculas, uno de los cuales no está implicado
en los enlaces de hidrógeno. Los grandes picos observados en la función de
distribución radial a mayores distancias corresponden a las moléculas de
órdenes de vecindad más elevados; estos máximos se van haciendo más

pequeños a medida que la temperatura aumenta, lo cual refleja la desaparición
del orden en el agua a causa de la agitación térmica.
El tamaño del primer pico de la función de distribución radial da una idea del
número medio de vecinos más proximos de una molécula (4,4 en nuestro
caso). El que este número no sea el entero 4, que es el que cabria esperar para
una estructura tetraédrica de los enlaces, es una consecuencia de la naturaleza
compleja de la primera capa de moléculas vecinas. Ello refleja también el
hecho de que el agua es más densa que el hielo.
Figura 3. Hay muchos modelos de la estructura del agua sin que ninguno de ellos sea perfecto. Una de
las magnitudes características mas importantes de esta estructura que los distintos modelos tienen que
reproducir correctamente, es la función de distribución radial. Esta función g{R}, representa el numero
medio de moléculas por unidad de volumen del liquido que están a una distancia R de una molécula de
agua dada. Aquí esta normalizado, vale la unidad cuando la densidad de las moléculas es igual a la
densidad media, es decir, a la densidad macroscópica. Los resultados de la figura son los que obtuvieron
Narten y colaboradores. Los puntos se determinaron experimentalmente por difracción de rayos x. Las
curvas corresponden a los cálculos teóricos.
La estructura del agua explorada por rayos X e intrarrojos.
Hay que señalar que las medidas por difracción de rayos X se obtienen para
escalas de tiempo relativamente largas comparadas con los tiempos
característicos de los movimientos de vibración moleculares. Por lo tanto,
estas medidas sólo dan una imagen temporalmente promediada y no permiten
describir los fenómenos asociados a las vibraciones de las moléculas de agua.

Los principales rasgos de este carácter vibracional han podido establecerse por
medio del estudio del espectro de absorción infrarrojo de agua «semipesada»
HOD mezclada con una cantidad más importante de agua pesada D2O (D
representa el deuterio, isótopo del hidrógeno). Este procedimiento hace que
los átomos de hidrógeno involucrados en los enlaces OH se alejen entre si.
Puede determinarse entonces la energía de vibración implicada en un unico
enlace OH aislado de los demás enlaces OH. El pico espectral correspondiente
a la vibración de este enlace es bastante ancho: no es el pico fino e intenso que
se habria obtenido si todos los enlaces OH hubieran vibrado con la misma
energía. La anchura de las bandas espectrales de los enlaces OH sugiere pues
una variación considerable de la fuerza de los enlaces y, por consiguiente, la
existencia de una gran variedad de relaciones de vecindad entre las moléculas
de agua. Lo anterior es particularmente cierto comparado con el espectro de
un cristal de hielo, donde las bandas espectrales son más bien estrechas y
todos los enlaces tienen aproximadamente la misma energía. Además, el gran
intervalo de frecuencias que cubren estas bandas sugiere que cuando dos
moléculas están poco separadas el enlace de hidrógeno es casi tan fuerte como
en el hielo. A mayores distancias, sin embargo, el enlace es mucho más débil
y los tres átomos O ... H-O dejan de estar alineados, lo cual indica que se ha
producido una distorsión o una ruptura. Todos estos resultados implican
claramente que hay muchas «estructuras» de agua líquida, contrariamente a
una suposición anterior según la cual la estructura estaba formada por sólo dos
tipos de moléculas, las ligadas entre si (por enlace de hidrógeno) y las no
ligadas.
Se han propuesto numerosos modelos de la estructura del agua sin que
ninguno de ellos sea plenamente satisfactorio. Para que su estudio sea posible,
tienen que basarse en aproximaciones tanto físicas como matemáticas.
Además, ninguno de los modelos propuestos es universal, en el sentido de que
ninguno de ellos ofrece predicciones cuantitativas para todas las propiedades
del agua. Así pues, en la actualidad es difícil valorar claramente las distintas
teorías de la estructura del agua, teorías de las que no daremos aquí más que
un breve esbozo.
El agua líquida, más parecida al hielo de lo que parece.
En 1962, unos investigadores norteamericanos de la universidad Cornelli G.
Nemethy y H.A. Scheraga,(5) interpretaron los resultados obtenidos en 1938
por J. N gan y B.E. Warren(6) del MIT (Massachusetts Institute of
Technology, Estados Unidos) sobre la distribución radial en térm. de mezcla
de dos tipos de moléculas: de una parte, cúmulos de moléculas ligadas por
enlaces de hidrógeno, y, de otra, moléculas no ligadas. En este modelo
partícular se supone que los cumulos moleculares unidos por enlace de
hidrógeno a otros cuatro cúmulos situados en si inmediata vecindad se hacen y
deshacen constantemente.

El quimico soviético O. Ya Samoilov, por contra, interpretó tres años más
tarde esta misma función de un modo distinto, en términos de un modelo
instersticial;(7) se supone que una red cristalina de moléculas ligadas por
enlaces de hidrógeno contiene cavidades en las cuales pueden moverse otras
moléculas no contenidas en la red, llamadas ligadas o íntersticiales. La
función de distribución del hielo exhibe estas cavidades. La función de
distribución del agua líquida señala una mayor densidad de moléculas vecinas
a la distancia de 0,35 nanómetros, fenómeno qtie no se observa en el agua
líquida. Samoilov llegó a la concltisión de qtie en el agiia líquida dícho
feiiómeiio correspondía al llenacio de estas cavidacles por nioléctilas no
ligadas. Narten y sus colaboradores efectuaron estudios similares pero con la
condición de que el cociente moléculas de la red/moléctilas intersticiales tenia
que corresponder a la densidad experimental del agua liquida.(3) Gracias a
esta condición algo artificial, estos autores lograron reproducir con muy buena
precisión la función de distribución experimental (fig. 3). Dado el acuerdo
obtenido con la experiencia, podria parecer que el modelo de la mezcla de dos
tipos de moléculas (ligadas y no ligadas) es una descripción satisfactoria de la
estructura del agua. Sin embargo, como se ha visto, los estudios en el
infrarrojo de los enlaces OH indican que el agua tiene una mayor variedad de
entornos moleculares, por lo que la descripción del modelo no es lo bastante
precisa.
Figura 4 a.
Un punto de vista bastante distinto sobre la estructura del agua es el modelo
del enlace de hidrógeno distorsionado debido al químico J.A. Pople, de la
universidad de Cambridge, Gran Bretaña, que data de 1951. En él se considera
que los enlaces de hidrógeno no están intactos sino distorsionados en distintos
grados o rotos como en el modelo de la mezcla.(8) Se dice que un enlace de
hidrógeno no está distorsionado cuando es lineal, es decir, cuando los átomos
0...H-0 están alineados. La energía de «distorsión» es nula cuando todos los
ángulos son tetraédricos, como en el hielo. Una desviación de esta situación

corresponde a la distorsión del enlace de hidrógeno y por consiguiente
conduce a un aumento de la energía del sistema. Mediante consideraciones de
mecánica estadística y de geometria analítica, Pople determinó las
contribuciones a la función de distribución de las moléculas segundas y
terceras en el orden de vecindad inmediata. En el marco de su modelo, estas
contribuciones dependen de la constante de fuerza de distorsión del enlace de
hidrógeno y del número de moléculas segundas o terceras en el orden de
vecindad inmediata. Variando estos tres parámetros, Pople obtuvo un buen
acuerdo con los resultados experimentales de Morgan y Warren. (6)
Sus trabajos demostraron que la variedad de vibraciones es mucho mayor en
el agua líquida que en el hielo y también que la distorsión del enlace de
hidrógeno permite que algunas moléculas segundas y terceras en el orden de
vecindad penetren dentro del entorno más próximo a la molécula central, lo
cual puede explicar dos propiedades de la función de distribución radial: en
primer lugar, que el número de vecinos más próximos es mayor que cuatro;
luego, que el pico de la función de distribución del agua es ancho por causa de
la penetración de moléculas no vecinas en la región que ocupa el segundo
lugar en el orden de vecindad de la molécula central.
Unos enlaces de hidrógeno más distorsíonados que rotos.
Los modelos de enlaces de hidrógeno distorsionados concuerdan más que los
modelos de tipo mezcla con la evidencia experimental actual sobre la
estructura del agua. Por ejemplo, la variedad de estructuras vibracionales
inherente a estos modelos es compatible con la gran extensión de las bandas
de absorción infrarrojo de los enlaces OH. Por otra parte, las teorías basadas
en los enlaces de hidrógeno distorsionados implican la presencia de muchos
enlaces de hidrógeno en el agua liquida, lo cual tiene la ventaja de explicar
algunas características de esta última. Se sabe, por ejemplo, que el agua pura
es un muy mal conductor de la electricidad, característica que se puede
vincular al hecho de que el enlace de hidro geno dificulta la transferencia de
electronese una molécula a otra. Por contra, el en lace de hidrógeno, por un
mecanismo, que todavía no se conoce del todo, permite la transferencia de
protones, lo cual explica lo anormalmente elevado de la velocidad a la cual
estas partículas pueden moverse en el agua. Los investigadores están cada vez
más convencidos de la importancia fundamental de este fenómeno en química
y biologia moleculares (por ejemplo en fotosintesis donde una de las etapas
importantes del proceso de almacenamiento de la energia que se recibe en
forma luminosa implica el transporte de protones a través de las membranas
celulares). Hay otra propiedad que concuerda con la abundancia de enlaces de
idrógeno: la gran energía de vaporizacion del agua se debe al hecho de que
para transformar el agua en vapor hay que rompe enlaces de hidrógeno:
cuanto más numerosos son estos últimos, mayor es la energia necesaria.

La reciente aparición de los ordenadores de gran potencia ha permitido, a
través de la mecánica estadística, un enfoque distinto del problema de la
estructura del agua. En este enfoque, del tipo llamado \"Montecarlo\" se definen
en la molécula tres, cuatro o cinco lugares en los cuales están situadas cargas
electrostáticas. Contrariamente a lo que ocurre en los enfoques precedentes, en
éste la estructura del agua no se define a priori, sino que se calcula a partir de
una distribución
Figura 4. Un enfoque relativamente reciente del problema de la estructura del agua consiste en definir a
priori la distribucion de cargas electricas dentro de la molecula de agua. Mediante simulaciones por
ordenador se pueden determinar los tipos de asociacion de moleculas que de ahí resultan.
Unos trabajos del quimico Speedy y de sus colaboradores, con un modelo de cuatro lugares llamado
TIP4P, sugieren que cuanto mas fria esta el agua mas se parecen las redes que forman los enlaces de
hidrogeno a hexagonos, como los del hielo (A), o a pentagonos como los de los clatratos de gases inertes
hidratados, que Linus Pauling habia propuesto en 1959 como modelo intersticial del agua. En esta
figura cada raya representa un enlace de hidrogeno. En A hay una molecula de agua en cada
interseccion de cuatro enlaces de hidrogeno. En B hay una molecula de agua no ligada (en vez de una
molecula de gas como en los clatratos), en el centro de cada dodecaedro pentagonal formado por 46
moleculas de agua unidas por el enlace de hidrogeno.

postulada de cargas. Los lugares y las cargas asociadas se eligen de tal modo
que quede reproducida lo mejor posible la física del agua. Por ejemplo, un
modelo con tres lugares, llamado TIPS3, propuesto por el químico W.L.
Jorgensen y su equipo, de la universidad Purdue, Estados Unidos, sitúa una
carga eléctrica positiva en cada átomo de hidrógeno y una carga negativa
doble en el átomo de oxígeno.(9) Los lugares cargados determinan la energía
electrostática de interacción entre las dos moléculas según las orientaciones y
las posiciones de éstas. El análisis se efectúa eligiendo al azar una
configuración de posiciones y orientaciones de las moléculas y calculando la
energía total de interacción entre todos los pares posibles de moléculas. Se
repite entonces el procedimiento por sucesivos sorteos (de donde el
calificativo de «Monte Carlo» dado a este tipo de modelizaciones) y se hace
una especie de promedio de las configuraciones así engendradas. Puede
obtenerse entonces la correspondiente función de distribución radial y otras
magnitudes pueden ser confrontadas con la experiencia. Cálculos como los
mencionados fueron realizados en 1981 por W.L. Jorgensen, basándose en el
modelo de tres lugares, para un conjunto de 125 moléculas de agua, utilizando
más de un millón de configuraciones distintas. (10) La operación requiere
unos siete dias de cálculo con un ordenador de tipo VAX. Aunque el
procedimiento pueda parecer muy sofisticado, hay que darse cuenta de que
una red cúbica de 125 moléculas posee sólo 5 moléculas a lo largo de cada
dimensión, con lo que las interacciones consideradas están limitadas a un
pequeño entorno. El modelo, por lo tanto, puede parecer relativamente
grosero.
El agua líquida simulada por ordenador
Bernal y Fowler habían propuesto ya en 1933 un modelo con tres lugares.(2)
Más tarde, W.L. Jorgensen y sus colegas estudiaron unos modelos mejores,
con cuatro lugares, tales como el modelo TIP4P, superior a los modelos con
tres lugares.(10) En ese modelo en especial, el cuarto lugar es una carga
negativa situada en la bisectriz del ángulo H-0-H a una distancia igual a
aproximadamente un tercio de la longitud del enlace OH.
También se ha considerado un modelo con cinco lugares. Lo han hecho los
investigadores norteamericanos F.H. Stillinger y A. Rahrnan,(11) de los
laboratorios Bell en Estados Unidos. Pero su mayor complejidad produce un
incremento del orden del 35% en el tiempo de cálculo (con respecto a los
modelos de tres o cuatro lugares) sin que ello mejore significativamente el
acuerdo con la experiencia.
La comparación de las propiedades termodinámicas del agua obtenidas con
simulaciones numéricas y experimentalmente muestra un acuerdo razonable
para todos los modelos (excepto el de Bernal y Fowler) salvo por lo que
respecta a la capacidad calorífica y a la compresibilidad isotérmica. Todas las

funciones de distribución radial oxígeno-oxígeno calculadas para los distintos
modelos tienen unos primeros picos más altos que los que obtuvieron
experimentalmente Narten y Levy. Por consiguiente, los números de vecinos
más próximos que de ahi se deducen son superiores al valor estimado
experimentalmente (que es igual, como hemos visto, a 4,4).
Todos los modelos (salvo el de Bernal y Fowler, cuyo interés es meramente
histórico) indican que aproximadamente el 80% de las moléculas de agua se
hallan implicadas en tres o cuatro enlaces de hidrógeno. Además,
contrariamente a las hipótesis del modelo de mezcla, ninguno de ellos permite
la presencia de moléculas de agua no ligadas. Ello confirma que la densidad
de enlaces de hidrógeno es excepcionalmente elevado en el agua, incluso en el
agua líquida.
R.J. Speedy y sus colaboradores, investigadores de la universidad Victoria de
Wellington, Nueva Zelanda, han utilizado recientemente el modelo TIP4P
para determinar las redes de enlaces más probables en función de la
temperatura en el agua líquida simulada.(12)
Sus resultados sugieren que a medida que el agua se enfria las redes se van
pareciendo cada vez más a hexágonos, similares a los que se encuentran en el
hielo a baja temperatura y alta presión (fig. 4A), y a pentágonos, como los que
se observan en los clatratos de gases inertes hidratados (fig. 4B), propuestos
en 1959 por el químico norteamericano Linus Pauling como modelo
intersticial del agua.(13)
Otros investigadores, como M.P. Bassez y sus colegas, de la universidad
técnica de Texas, Estados Unidos, sugieren que el agua líquida puede ser
asimilada a una red de moléculas ligadas que sufren libraciones (movimientos
de rotación restringidos por la presencia de enlaces de hidrógeno) por debajo
de una cierta temperatura, y una difusión de las moléculas, acompañada de su
rotación, por encima.(14) Cuando la temperatura aumenta y los enlaces de
hidrógeno se debilitan, las fuerzas intermoleculares se vuelven más isótropas
y disminuye la altura de la barrera energética que impide la rotación de las
moléculas. Estos autores señalan que faltaba dicha componente en los demás
intentos de comprender las propiedades del agua; las interacciones
electrostáticas entre un reducido número de cargas, como en los modelos con
lugares, no poseen la flexibilidad angular (es decir, la flexibilidad frente a
pequeñas variaciones de los ángulos de los enlaces) de las interacciones reales
que tienen lugar en el agua. El «agua simulada», por lo tanto, es mucho más
rígida y estructurado que el «agua real». Si se atiende a las sugerencias de
Bassez y sus colegas, se llega a un mejor acuerdo teoría-experiencia que antes,
especialmente por lo que se refiere a la compresibilidad isotérmica.

Utimamente, el químico M.C.R. Symons, de la universidad de Leicester, Gran
Bretaña, ha señalado que en todos los modelos considerados hasta ahora se ha
insistido sobre todo en las propiedades físicas del agua liquida y relativamente
poco en sus propiedades quimicas.(15) Los enlaces de hidrógeno tienen la
capacidad de modificar profundamente la reactividad quimica. Symons
sugiere que ésta está estrechamente ligada al número de grupos OH «libres» y
de dobletes electrónicos libres presentes en el agua no implicados en un enlace
de hidrógeno. De ahí deduce, con la ayuda de medidas espectroscópicas en el
infrarrojo, que aproximadamente el 10% de los enlaces de hidrógeno están
rotos. El número le parece demasiado pequeño para que el fenómeno pueda
ser puesto de manifiesto por métodos no espectroscópicos. Según él, estos
enlaces rotos juegan un importante papel en todo modelo comprensible del
agua líquida.
En conclusión, cabe preguntar si se dispone o no actualmente de una imagen
definitiva de la estructura del agua. La respuesta todavía no es clara. Los
distintos trabajos dan unas indicaciones que a veces parecen contradecirse.
Por una parte, el gran intervalo de frecuencias de las bandas de absorción de
los enlaces OH indica la ausencia de enlaces rotos. Por otra, sin embargo, los
trabajos de Symons implican la existencia de grupos OH y de dobletes
electrónicos libres, y por lo tanto de enlaces rotos. Los modelos del agua
líquida simulada por ordenador no parecen reproducir correctamente la
compresibilidad isotérmica, algo que logra bastante bien, por contra, el
enfoque de Bassez. A pesar de todo los rasgos principales de la estructura del
agua van aclarándose poco a poco y la \"solución\" definitiva del problema será
probablemente un compromiso entre los distintos modelos mencionados aqui
http://webs.advance.com.ar/rudemsrl/Molecula/MOLECULA.htm