2.2: Agua
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- Describir las propiedades del agua que son críticas para mantener la vida
- Explicar por qué el agua es un excelente solvente
- Proporcionar ejemplos de las propiedades cohesivas y adhesivas del agua
- Discutir el papel de los ácidos, bases y tampones en la homeostasis
¿Por qué los científicos pasan tiempo buscando agua en otros planetas? ¿Por qué es tan importante el agua? Es porque el agua es esencial para la vida tal como la conocemos. El agua es una de las moléculas más abundantes y la más crítica para la vida en la Tierra. Aproximadamente el 60—70 por ciento del cuerpo humano está compuesto por agua. Sin ella, la vida como la conocemos simplemente no existiría.
La polaridad de la molécula de agua y su resultante enlace de hidrógeno hacen del agua una sustancia única con propiedades especiales que están íntimamente ligadas a los procesos de la vida. La vida evolucionó originalmente en un ambiente acuoso, y la mayor parte de la química celular y el metabolismo de un organismo ocurren dentro del contenido acuoso del citoplasma de la célula. Las propiedades especiales del agua son su alta capacidad calorífica y calor de vaporización, su capacidad para disolver moléculas polares, sus propiedades cohesivas y adhesivas, y su disociación en iones que conduce a la generación de pH. Comprender estas características del agua ayuda a dilucidar su importancia en el mantenimiento de la vida.
Polaridad del agua
Una de las propiedades importantes del agua es que está compuesta por moléculas polares: el hidrógeno y el oxígeno dentro de las moléculas de agua (H 2 O) forman enlaces covalentes polares. Si bien no hay carga neta a una molécula de agua, la polaridad del agua crea una carga ligeramente positiva sobre el hidrógeno y una carga ligeramente negativa sobre el oxígeno, lo que contribuye a las propiedades de atracción del agua. Las cargas de agua se generan porque el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, lo que hace más probable que se encuentre un electrón compartido cerca del núcleo de oxígeno que el núcleo de hidrógeno, generando así la carga negativa parcial cerca del oxígeno.
Como resultado de la polaridad del agua, cada molécula de agua atrae a otras moléculas de agua debido a las cargas opuestas entre las moléculas de agua, formando enlaces de hidrógeno. El agua también atrae o es atraída por otras moléculas polares e iones. Una sustancia polar que interactúa fácilmente o se disuelve en el agua se conoce como hidrófila (hidro- = “agua”; -fílica = “amorosa”). En contraste, las moléculas no polares como los aceites y las grasas no interactúan bien con el agua, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) y se separan de ella en lugar de disolverse en ella, como vemos en los aderezos para ensaladas que contienen aceite y vinagre (una solución acuosa ácida). Estos compuestos no polares se denominan hidrofóbicos (hidro- = “agua”; -fóbicos = “temerosos”).
Estados del agua: gas, líquido y sólido
La formación de enlaces de hidrógeno es una cualidad importante del agua líquida que es crucial para la vida tal como la conocemos. A medida que las moléculas de agua hacen enlaces de hidrógeno entre sí, el agua adquiere algunas características químicas únicas en comparación con otros líquidos y, dado que los seres vivos tienen un alto contenido de agua, comprender estas características químicas es clave para comprender la vida. En el agua líquida, los enlaces de hidrógeno se forman constantemente y se rompen a medida que las moléculas de agua se deslizan entre sí. La ruptura de estos enlaces es causada por el movimiento (energía cinética) de las moléculas de agua debido al calor contenido en el sistema. Cuando el calor se eleva a medida que se hierve el agua, la mayor energía cinética de las moléculas de agua hace que los enlaces de hidrógeno se rompan por completo y permite que las moléculas de agua escapen al aire como gas (vapor o vapor de agua). Por otro lado, cuando la temperatura del agua se reduce y el agua se congela, las moléculas de agua forman una estructura cristalina mantenida por enlaces de hidrógeno (no hay suficiente energía para romper los enlaces de hidrógeno) que hace que el hielo sea menos denso que el agua líquida, fenómeno no visto en la solidificación de otros Líquidos.
La menor densidad del agua en su forma sólida se debe a la forma en que se orientan los enlaces de hidrógeno a medida que se congela: las moléculas de agua se separan más en comparación con el agua líquida. Con la mayoría de los otros líquidos, la solidificación cuando baja la temperatura incluye la disminución de la energía cinética entre las moléculas, lo que les permite empacar aún más apretadamente que en forma líquida y dando al sólido una mayor densidad que el líquido.
La menor densidad de hielo, ilustrada y ilustrada en la Figura\(\PageIndex{2}\), una anomalía, hace que flote en la superficie del agua líquida, como en un iceberg o en los cubitos de hielo en un vaso de agua helada. En lagos y estanques, se formará hielo en la superficie del agua creando una barrera aislante que protege a los animales y la vida vegetal en el estanque de la congelación. Sin esta capa de hielo aislante, las plantas y animales que viven en el estanque se congelarían en el bloque sólido de hielo y no podrían sobrevivir. El efecto perjudicial de la congelación en los organismos vivos es causado por la expansión del hielo en relación con el agua líquida. Los cristales de hielo que se forman al congelarse rompen las delicadas membranas esenciales para el funcionamiento de las células vivas, dañándolas irreversiblemente. Las células solo pueden sobrevivir a la congelación si el agua en ellas es reemplazada temporalmente por otro líquido como el glicerol.
Enlace al aprendizaje
Video: Haga clic aquí para ver una animación 3-D de la estructura de una celosía de hielo. (Crédito de la imagen: Jane Whitney. Imagen creada con el software Visual Molecular Dynamics VMD. 2)
Alta capacidad calorífica del agua
La alta capacidad calorífica del agua es una propiedad causada por los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. El agua tiene la mayor capacidad calorífica específica de cualquier líquido. El calor específico se define como la cantidad de calor que un gramo de una sustancia debe absorber o perder para cambiar su temperatura en un grado Celsius. Para el agua, esta cantidad es de una caloría. Por lo tanto, el agua tarda mucho en calentarse y mucho tiempo enfriarse. De hecho, la capacidad calorífica específica del agua es aproximadamente cinco veces más que la de la arena. Esto explica por qué la tierra se enfría más rápido que el mar. Debido a su alta capacidad calorífica, el agua es utilizada por animales de sangre caliente para dispersar el calor de manera más uniforme en sus cuerpos: actúa de manera similar al sistema de enfriamiento de un automóvil, transportando calor de lugares cálidos a lugares fríos, haciendo que el cuerpo mantenga una temperatura más uniforme.
Calor de vaporización del agua
El agua también tiene un alto calor de vaporización, la cantidad de energía requerida para cambiar un gramo de una sustancia líquida a un gas. Se requiere una cantidad considerable de energía térmica (586 cal) para lograr este cambio en el agua. Este proceso ocurre en la superficie del agua. A medida que el agua líquida se calienta, los enlaces de hidrógeno dificultan la separación de las moléculas de agua líquida entre sí, lo que se requiere para que entre en su fase gaseosa (vapor). Como resultado, el agua actúa como disipador de calor o depósito de calor y requiere mucho más calor para hervir que un líquido como el etanol (alcohol de grano), cuyo enlace de hidrógeno con otras moléculas de etanol es más débil que el enlace de hidrógeno del agua. Eventualmente, a medida que el agua alcanza su punto de ebullición de 100° Celsius (212° Fahrenheit), el calor es capaz de romper los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua, y la energía cinética (movimiento) entre las moléculas de agua les permite escapar del líquido como un gas. Incluso cuando están por debajo de su punto de ebullición, las moléculas individuales del agua adquieren suficiente energía de otras moléculas de agua de manera que algunas moléculas de agua superficial pueden escapar y vaporizarse: este proceso se conoce como evaporación.
El hecho de que se necesiten romper los enlaces de hidrógeno para que el agua se evapore significa que se utiliza una cantidad sustancial de energía en el proceso. A medida que el agua se evapora, la energía es absorbida por el proceso, enfriando el ambiente donde se está produciendo la evaporación. En muchos organismos vivos, incluso en los humanos, la evaporación del sudor, que es 90 por ciento de agua, permite que el organismo se enfríe para que se pueda mantener la homeostasis de la temperatura corporal.
Propiedades del solvente del agua
Dado que el agua es una molécula polar con cargas ligeramente positivas y ligeramente negativas, los iones y las moléculas polares pueden disolverse fácilmente en ella. Por lo tanto, el agua es referida como un solvente, una sustancia capaz de disolver otras moléculas polares y compuestos iónicos. Las cargas asociadas a estas moléculas formarán enlaces de hidrógeno con el agua, rodeando la partícula con moléculas de agua. Esto se conoce como una esfera de hidratación, o una cubierta de hidratación, como se ilustra en la Figura
Vea este video para una explicación sencilla del pH y su escala logarítmica.
Entonces, ¿cómo pueden los organismos cuyos cuerpos requieren un pH casi neutro ingerir sustancias ácidas y básicas (un ser humano que bebe jugo de naranja, por ejemplo) y sobrevivir? Los búferes son la clave. Los tampones absorben fácilmente el exceso de H + u OH —, manteniendo el pH del cuerpo cuidadosamente mantenido en el estrecho rango requerido para la supervivencia. Mantener un pH constante en la sangre es fundamental para el bienestar de una persona. El tampón que mantiene el pH de la sangre humana involucra ácido carbónico (H 2 CO 3), ion bicarbonato (HCO 3 —) y dióxido de carbono (CO 2). Cuando los iones bicarbonato se combinan con iones de hidrógeno libres y se convierten en ácido carbónico, se eliminan los iones hidrógeno, moderando los cambios de pH. De manera similar, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\), el exceso de ácido carbónico puede convertirse en gas dióxido de carbono y exhalarse a través de los pulmones. Esto evita que demasiados iones de hidrógeno libres se acumulen en la sangre y reduzcan peligrosamente el pH de la sangre. De igual manera, si se introduce demasiado OH — en el sistema, el ácido carbónico se combinará con él para crear bicarbonato, bajando el pH. Sin este sistema tampón, el pH del cuerpo fluctuaría lo suficiente como para poner en peligro la supervivencia.
Otros ejemplos de tampones son los antiácidos utilizados para combatir el exceso de ácido estomacal. Muchos de estos medicamentos de venta libre funcionan de la misma manera que los tampones sanguíneos, generalmente con al menos un ion capaz de absorber hidrógeno y moderar el pH, trayendo alivio a quienes sufren “acidez estomacal” después de comer. Las propiedades únicas del agua que contribuyen a esta capacidad de equilibrar el pH, así como otras características del agua, son esenciales para sostener la vida en la Tierra.
Enlace al aprendizaje
Para conocer más sobre el agua. Visite el Servicio Geológico de Estados Unidos Ciencia del agua para escuelas ¡Todo sobre el agua! sitio web.
Resumen
El agua tiene muchas propiedades que son críticas para mantener la vida. Es una molécula polar, permitiendo la formación de enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno permiten que los iones y otras moléculas polares se disuelvan en el agua. Por lo tanto, el agua es un excelente solvente. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua hacen que el agua tenga una alta capacidad calorífica, lo que significa que se necesita mucho calor agregado para elevar su temperatura. A medida que aumenta la temperatura, los enlaces de hidrógeno entre el agua se rompen continuamente y se forman de nuevo. Esto permite que la temperatura general se mantenga estable, aunque se agrega energía al sistema. El agua también exhibe un alto calor de vaporización, que es clave para cómo los organismos se enfrían por la evaporación del sudor. Las fuerzas cohesivas del agua permiten la propiedad de tensión superficial, mientras que sus propiedades adhesivas se ven a medida que el agua sube dentro de los tubos capilares. El valor de pH es una medida de la concentración de iones hidrógeno en una solución y es una de las muchas características químicas que está altamente regulada en organismos vivos a través de la homeostasis. Los ácidos y bases pueden cambiar los valores de pH, pero los tampones tienden a moderar los cambios que provocan. Estas propiedades del agua están íntimamente conectadas con los procesos bioquímicos y físicos que realizan los organismos vivos, y la vida sería muy diferente si estas propiedades fueran alteradas, si pudiera existir en absoluto.
Notas al pie
- 1 W. Humphrey W., A. Dalke, y K. Schulten, “VM—Visual Molecular Dynamics”, Journal of Molecular Graphics 14 (1996): 33-38.
- 2 W. Humphrey W., A. Dalke, y K. Schulten, “VM—Visual Molecular Dynamics”, Journal of Molecular Graphics 14 (1996): 33-38.
Glosario
- ácido
- molécula que dona iones de hidrógeno y aumenta la concentración de iones de hidrógeno en una solución
- adhesión
- atracción entre moléculas de agua y otras moléculas
- base
- molécula que dona iones hidróxido o se une de otra manera a iones de hidrógeno en exceso y disminuye la concentración de iones hidrógeno en una solución
- búfer
- sustancia que impide un cambio en el pH absorbiendo o liberando hidrógeno o iones hidróxido
- caloría
- cantidad de calor requerida para cambiar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius
- acción capilar
- ocurre porque las moléculas de agua son atraídas por cargas en las superficies internas de estructuras tubulares estrechas como tubos de vidrio, atrayendo las moléculas de agua a los lados de los tubos
- cohesión
- fuerzas intermoleculares entre moléculas de agua causadas por la naturaleza polar del agua; responsables de la tensión superficial
- disociación
- liberación de un ion de una molécula tal que la molécula original ahora consiste en un ion y los restos cargados del original, como cuando el agua se disocia en H + y OH -
- evaporación
- separación de moléculas individuales de la superficie de un cuerpo de agua, hojas de una planta o la piel de un organismo
- calor de vaporización del agua
- alta cantidad de energía requerida para que el agua líquida se convierta en vapor de agua
- hidrofílico
- describe iones o moléculas polares que interactúan bien con otras moléculas polares como el agua
- hidrofóbico
- describe moléculas no polares no cargadas que no interactúan bien con moléculas polares como el agua
- papel tornasol
- (también, papel de pH) papel de filtro que ha sido tratado con un tinte natural soluble en agua que cambia de color a medida que cambia el pH del ambiente para que pueda usarse como indicador de pH
- Papel de pH
- ver papel tornasol
- Escala de pH
- escala que va de cero a 14 que es inversamente proporcional a la concentración de iones de hidrógeno en una solución
- solvente
- sustancia capaz de disolver otra sustancia
- capacidad calorífica específica
- la cantidad de calor que un gramo de una sustancia debe absorber o perder para cambiar su temperatura en un grado Celsius
- esfera de hidratación
- cuando una molécula de agua polar rodea moléculas cargadas o polares, manteniéndolas disueltas y en solución
- tensión superficial
- tensión en la superficie de un cuerpo de líquido que impide que las moléculas se separen; creada por las atractivas fuerzas cohesivas entre las moléculas del líquido