El agua es una de las sustancias más importantes.
Se halla en los océanos, mares, ríos y lagunas, cubriendo en 75% del planeta. Cerca de un 95% del total del agua es salada (mares y océanos), tan solo un 3% es dulce, hallándose un 2% en los casquetes polares y el resto es las aguas continentales. El agua también se halla en forma de vapor o sólida (hielo o nieve) en la atmósfera.
Es la sustancia más abundante en casi la totalidad de los seres vivos. Ciertas especies marinas están formadas casi exclusivamente por agua, como el caso de las medusas o aguas vivas, ciertas algas y algunos erizos y estrellas de mar, que poseen hasta un 90% de agua. Un ser humano adulto posee casi un 65% de agua en su cuerpo. El agua está íntimamente ligada a la actividad del organismo, los órganos más activos del cuerpo son los más ricos en ella, así, el cerebro, por ejemplo tiene un 84% de agua, mientras que los cartílagos alcanzan tan solo a un 55% y el tejido adiposo contiene cerca de un 30%.
El agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (Fig. 1).
Fig. 1: Estructura de la molécula de agua. a, modelo compacto; b, modelo de esféras. La esfera roja corresponde al átomo de oxígeno y las azules a los de hidrógeno.
Como ya se mencionará la mayor parte de la célula es agua. Esta sustancia es indispensable, ya que todas las reacciones químicas y, en consecuencia las actividades celulares se producen en un medio acuoso. Esto se debe a una de las propiedades más importantes y básicas del agua, la capacidad para actuar como solvente de prácticamente todos los compuestos químicos celulares, lo cual a su vez, está estrechamente relacionado con el pequeño tamaño de la molécula de agua y su fuerte polaridad.
El agua es capaz de disolver sales minerales, alcoholes, aminoácidos, azúcares, etc. Este alto poder disolvente hace que el agua sea un buen medio de transporte de sustancias desde y hacia el interior celular.
El agua además es termorreguladora, ya que tarda en enfriarse y en calentase, por lo que los seres vivos encuentran en el medio acuático un buen ambiente para sus actividades. Es importante recordar que la vida se originó en el agua y que todos los seres vivos durante los primeros estadios de vida se desarrollan en un medio líquido.
Tiene una tensión superficial muy adecuada que le permite subir fácilmente por tubos estrechos (capilaridad). Debido a las fuerzas intermoleculares presentes entre sus moléculas, el agua puede subir por capilares sanguíneos, linfáticos y conductos vegetales venciendo la fuerza de gravedad, llegando de este modo a cualquier parte del organismo.
Es también muy importante su carácter neutro, no es ni ácida ni básica. Esto permite que sea un excipiente adecuado para las reacciones químicas que se efectúan dentro de las células, pues la vida, para desarrollarse, requiere de un medio neutro.
El único requerimiento absoluto para la vida es el agua
Enlaces puente hidrógeneo en el agua
La estructura de la molécula de agua está dada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes. Es una molécula polar y, en consecuencia, forma enlaces -llamados puentes de hidrógeno- con otras moléculas. Aunque los enlaces individuales son débiles -se rompen y se vuelven a formar continuamente- la fuerza total de los enlaces que mantienen a las moléculas juntas es muy grande.
Los puentes de hidrógeno determinan muchas de las extraordinarias propiedades del agua. Entre ellas están su gran cohesión, su alta tensión superficial y sus altos calores específico, de vaporización y de fusión. Los fenómenos de capilaridad e imbibición están también relacionados con la presencia de puentes de hidrógeno.
La polaridad de la molécula de agua es, además, responsable de su adhesión a otras sustancias polares, de ahí, su tendencia al movimiento capilar.
También debido a su polaridad el agua es un buen solvente para iones y moléculas polares. Las moléculas que se disuelven fácilmente en agua se conocen como hidrofílicas. Las moléculas de agua, a raíz de su polaridad, excluyen activamente de la solución a las moléculas no polares. Las moléculas excluidas de la solución acuosa se conocen como hidrofóbicas.
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 número de iones H+ y el número de iones OH- es igual a 10-7 mol por litro. Una solución que contiene más iones H+ que iones OH- es ácida; una solución que contiene más iones OH- que iones H+ es básica o alcalina. La escala de pH refleja la proporción de iones H+ a iones OH-. Una solución ácida tiene un pH inferior a 7; una solución básica tiene un pH superior a 7. Casi todas las reacciones químicas de los sistemas vivos tienen lugar en un estrecho intervalo de pH alrededor de la neutralidad. Los organismos mantienen este estrecho intervalo de pH por medio de buffers, que son combinaciones de formas de ácidos débiles o bases débiles; dadores y aceptores de H+.
La molécula de agua es polar, con dos zonas débilmente negativas y dos zonas débilmente positivas; en consecuencia, entre sus moléculas se forman enlaces débiles.
La molécula de agua (H2O) puede ser representada de varias maneras distintas. Una de ellas es el modelo compacto y otra el modelo de esferas.
Como se puede ver en la Fig. 2, el modelo orbital (Fig. 2 a), desde el núcleo de oxígeno de una molécula de agua se ramifican cuatro orbitales constituyendo un tetraedro hipotético. Dos de los orbitales están formados por los electrones compartidos que enlazan los átomos de hidrógeno al átomo de oxígeno. Debido a la fuerte atracción que ejerce el núcleo del oxígeno hacia los electrones, los electrones que intervienen en los enlaces covalentes pasan más tiempo alrededor del núcleo de oxígeno que el que pasan alrededor de los núcleos de hidrógeno. En consecuencia, la región que se encuentra cerca de cada núcleo de hidrógeno es una zona débilmente positiva. Además, el átomo de oxígeno tiene cuatro electrones adicionales en su nivel energético exterior. Estos electrones, que no están implicados en el enlace covalente con el hidrógeno, están apareados en dos orbitales. Cada uno de estos orbitales es una zona débilmente negativa. Así, la molécula de agua, desde el punto de vista de la polaridad, tiene cuatro "vértices", dos "vértices'' cargados positivamente y otros dos cargados negativamente.
Como resultado de estas zonas positivas y negativas (Fig. 2 b), cada molécula de agua puede formar puentes de hidrógeno (representadas por líneas de puntos) con otras cuatro moléculas de agua. En condiciones normales de presión y temperatura, los puentes de hidrógeno se rompen y vuelven a formarse continuamente, siguiendo un patrón variable. Por esa causa, el agua es un líquido.
Fig. 2: La polaridad de la molécula de agua y sus consecuencias.
Estos enlaces, en los que se une un átomo de hidrógeno
con carga positiva débil que forma parte de una molécula,
con un átomo de oxígeno que posee carga negativa débil
y que pertenece a otra molécula, se conocen como puentes de hidrógeno.
Cada molécula de agua puede formar puentes de hidrógeno
con otras cuatro moléculas de agua. Aunque los enlaces individuales
son débiles y se rompen continuamente, la fuerza total de los enlaces
que mantienen a las moléculas juntas es muy grande.
Consecuencias del puente de hidrógeno: cohesión y atracción.
Los puentes de hidrógeno son los responsables de las propiedades características del agua; entre ellas, de la gran cohesión, o atracción mutua, de sus moléculas. La cohesión trae como consecuencia la alta tensión superficial que permite, por ejemplo, que una hoja de afeitar colocada delicadamente sobre la superficie del agua flote.
La enorme cantidad de puentes de hidrógeno que
presenta el agua también es responsable de su resistencia a los
cambios de temperatura. El agua tiene un alto calor específico
-o capacidad calorífica- un alto calor de vaporización y
un alto calor de fusión. La acción capilar -o capilaridad-
y la imbibición son también fenómenos relacionados
con las uniones entre moléculas de agua. Si se mantienen dos láminas
de vidrio juntas y se sumerge un extremo en agua, la cohesión y
la adhesión combinadas harán que el agua ascienda entre
las dos láminas por capilaridad. De igual modo, la capilaridad
hace que el agua suba por tubos de vidrio muy finos, que ascienda en un
papel secante, o que atraviese lentamente los pequeños espacios
entre las partículas del suelo y, de esta manera, esté disponible
para las raíces de las plantas. La imbibición, por otra
parte, es la absorción o penetración capilar de moléculas
de agua en sustancias tales como la madera o la gelatina que, como resultado
de ello, se hinchan. Las presiones desarrolladas por imbibición
pueden ser sorprendentemente grandes.
El agua como solvente
El agua tiene la capacidad de disolver gran cantidad de sustancias, prácticamente lo disuelve todo. Esta propiedad le permite por ejemplo disolver las sustancias minerales del suelo, sustancias que serán absorvidas por los productores oara realizar la fotosíntesis.
La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas, como el cloruro de sodio (NaCl), en sus iones constituyentes. Las moléculas de agua se aglomeran alrededor de los iones con carga y los separan unos de otros.
El diagrama de la Fig. 3 muestra al cloruro de sodio (NaCl) disolviéndose en el agua a medida que las moléculas de ésta se aglomeran alrededor de los iones individuales sodio y cloruro separándolos unos de otros. Nótese la diferencia entre el modo en que las moléculas de agua están dispuestas alrededor de los iones sodio y la manera en que se disponen alrededor de los iones cloruro.
Fig. 3: Cloruro de sodio disolviéndose en agua.
Muchas de las moléculas importantes en los sistemas vivos que presentan uniones covalentes, como los azúcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Estas moléculas, por lo tanto, atraen moléculas de agua y también se disuelven en agua. Las moléculas polares que se disuelven rápidamente en agua son llamadas hidrofílicas ("que aman al agua''). Estas moléculas se disuelven fácilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen moléculas de agua tanto o más que lo que se atraen entre sí. Las moléculas polares de agua compiten de este modo con la atracción existente entre las moléculas de soluto.
Moléculas tales como las grasas, que carecen de regiones polares, tienden a ser muy insolubles en el agua. Los puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua actúan como una fuerza que excluye a las moléculas no polares. Como resultado de esta exclusión, las moléculas 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 moléculas son llamadas hidrofóbicas ("que tienen aversión por el agua") y los agrupamientos se producen por interacciones hidrofóbicas.
El ciclo del agua
El agua en la naturaleza cumple un ciclo, circula continuamente en el planeta. En dicha circulación va cambio de estados por las variaciones climáticas.
El ciclo del agua vincula la atmósfera, la hidrosfera y la corteza de la Tierra. El agua de la atmósfera se encuentra principalmente en forma de vapor. En tierra, circula tanto por la superficie (arroyos, ríos y lagos) como por los estratos subterráneos (acuíferos). Generalmente, el agua desemboca en el mar.
En la siguiente animación se grafica el ciclo del agua.