15.1: Estructura del Agua

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En su conocido poema “La escarcha del antiguo marinero”, Samuel Coleridge escribió “agua, agua en todas partes, ni ninguna gota para beber”. Coleridge estaba hablando de estar en el océano, pero no tener agua porque había matado a un albatros (aparentemente trayendo mala suerte a todos en el barco). Acerca\(75\%\) de la superficie de la Tierra es el agua. El constituyente principal del cuerpo humano (over\(60\%\)) es el agua. Esta molécula simple juega un papel importante en todo tipo de procesos.

Estructura del Agua

El agua es una molécula simple que consiste en un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno diferentes. Debido a la mayor electronegatividad del átomo de oxígeno, los enlaces son covalentes polares (enlaces polares). El átomo de oxígeno atrae a los electrones compartidos de los enlaces covalentes en una extensión significativamente mayor que los átomos de hidrógeno. Como resultado, el átomo de oxígeno adquiere una carga negativa parcial\(\left( \delta - \right)\), mientras que los átomos de hidrógeno adquieren cada uno una carga positiva parcial\(\left( \delta + \right)\). La molécula adopta una estructura doblada debido a los dos pares solitarios de electrones en el átomo de oxígeno. El ángulo de\(\ce{H-O-H}\) enlace es aproximadamente\(105^\text{o}\), ligeramente menor que el ideal\(109.5^\text{o}\) de un orbital atómico\(sp^3\) hibridado.

Figura\(\PageIndex{1}\): La molécula de agua, visualizó tres formas diferentes: modelo de bola y palo, modelo de llenado de espacio y fórmula estructural con cargas parciales.

La forma doblada de la molécula de agua es crítica porque los\(\ce{O-H}\) enlaces polares no se cancelan entre sí y la molécula en su conjunto es polar. La siguiente figura ilustra la polaridad neta de la molécula de agua. El oxígeno es el extremo negativo de la molécula, mientras que el área entre los átomos de hidrógeno es el extremo positivo de la molécula.

Figura\(\PageIndex{2}\): El agua es una molécula polar, ya que se encuentra mayor densidad de electrones alrededor del átomo de oxígeno más electronegativo.

Las moléculas polares se atraen entre sí por las fuerzas dipolo-dipolo, ya que el extremo positivo de una molécula es atraído hacia el extremo negativo de la molécula cercana. En el caso del agua, los\(\ce{O-H}\) enlaces altamente polares dan como resultado muy poca densidad de electrones alrededor de los átomos de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno es fuertemente atraído por los electrones de pares solidos en un átomo de oxígeno adyacente. Estos se llaman enlaces de hidrógeno y son más fuertes que las fuerzas dipolo-dipolo convencionales.

Figura\(\PageIndex{3}\): Un enlace de hidrógeno es la atracción entre un par solitario de electrones en el átomo de oxígeno de una molécula y el átomo de hidrógeno deficiente en electrones de una molécula cercana.

Debido a que cada átomo de oxígeno tiene dos pares solitarios, puede hacer enlaces de hidrógeno a los átomos de hidrógeno de otras dos moléculas separadas. La siguiente figura muestra el resultado, una geometría aproximadamente tetraédrica alrededor de cada átomo de oxígeno, que consiste en dos enlaces covalentes y dos enlaces de hidrógeno.

Figura\(\PageIndex{4}\): Como resultado de dos enlaces covalentes y dos enlaces de hidrógeno, la geometría alrededor de cada átomo de oxígeno es aproximadamente tetraédrica.

Resumen

El agua es un compuesto molecular que consiste en moléculas polares que tienen una forma doblada.
El átomo de oxígeno adquiere una carga negativa parcial, mientras que el átomo de hidrógeno adquiere una carga positiva parcial.