El agua: estructura, polaridad, puentes de hidrógeno y propiedades

El agua cubre más del 70 % de la superficie terrestre y forma alrededor del 60 % de nuestro cuerpo. Parece una sustancia sencilla, pero tiene propiedades excepcionales: disuelve muchísimas sustancias, hierve a una temperatura muy alta para una molécula tan ligera y su forma sólida flota en la líquida. Todo se explica por la estructura de su molécula.

Estructura de la molécula de agua

La molécula de agua ($\ce{H2O}$) tiene un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno mediante enlaces covalentes. No es lineal: tiene forma angular, con un ángulo de 104.5° entre los dos enlaces, porque el oxígeno conserva dos pares de electrones sin compartir que empujan a los hidrógenos hacia abajo.

Polaridad

El oxígeno es mucho más electronegativo que el hidrógeno (3.5 contra 2.1), así que atrae con más fuerza los electrones compartidos. Se forma:

• Una carga parcial negativa ($\delta^-$) sobre el oxígeno.
• Una carga parcial positiva ($\delta^+$) sobre cada hidrógeno.

Como la molécula es angular, estas cargas no se cancelan: el agua es una molécula polar, con un extremo negativo y otro positivo, como un pequeño imán eléctrico.

Puentes de hidrógeno

El hidrógeno ($\delta^+$) de una molécula de agua es atraído por el oxígeno ($\delta^-$) de una molécula vecina. Esta atracción entre moléculas se llama puente de hidrógeno. Es más débil que un enlace covalente, pero mucho más fuerte que otras fuerzas entre moléculas.

Los puentes de hidrógeno se forman cuando el hidrógeno está unido a un átomo muy electronegativo y pequeño: flúor, oxígeno o nitrógeno. Por eso también los hay en el amoniaco, en el alcohol y en el ADN, donde mantienen unidas las dos cadenas de la doble hélice.

Gracias a los puentes de hidrógeno, el agua:

• Tiene puntos de fusión y ebullición mucho más altos de lo esperado. El $\ce{H2S}$, una molécula parecida pero más pesada, es un gas a temperatura ambiente.
• Tiene una gran tensión superficial: algunos insectos pueden caminar sobre ella.
• Necesita mucha energía para calentarse (alto calor específico).

Propiedades físicas

El comportamiento anómalo del agua

Casi todas las sustancias se contraen al enfriarse y su sólido es más denso que su líquido. El agua no: al enfriarse se contrae solo hasta los 4 °C; por debajo de esa temperatura se dilata, y al congelarse aumenta su volumen cerca de un 9 %.

• densidad del agua líquida (kg/m³)

La razón es que en el hielo los puentes de hidrógeno forman una red hexagonal abierta, con mucho espacio vacío. Por eso:

• El hielo flota (su densidad es de unos 0.92 g/ml).
• Los lagos se congelan de arriba hacia abajo: la capa de hielo aísla el agua de abajo, que se mantiene cerca de 4 °C, y la vida acuática sobrevive el invierno.
• El agua que se congela dentro de las grietas puede romper las rocas.

Propiedades químicas

• Es el disolvente más común, por eso se le llama «disolvente universal»: disuelve sales, ácidos, bases, azúcares y gases. Es el medio en el que ocurren las reacciones ácido-base y las de los seres vivos.
• Se descompone por electrólisis en hidrógeno y oxígeno; es la fuente principal para obtener hidrógeno:

$$\ce{2H2O ->[electricidad] 2H2 + O2}$$

• Reacciona con los óxidos metálicos y forma hidróxidos (disoluciones básicas o alcalinas):

$$\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}$$

• Reacciona con los óxidos no metálicos (anhídridos) y forma oxiácidos (disoluciones ácidas):

$$\ce{CO2 + H2O -> H2CO3}$$

• Reacciona con los metales muy activos, como el sodio y el potasio, liberando hidrógeno:

$$\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2}$$

• Se ioniza ligeramente en iones hidronio e hidróxido; esta propiedad es la base del pH:

$$\ce{2H2O <=> H3O+ + OH-}$$

Comprueba lo aprendido

1. ¿Por qué el agua es una molécula polar?Ver respuestaOcultar respuesta

Porque el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y la molécula es angular: las cargas parciales no se cancelan.

2. ¿Por qué flota el hielo?Ver respuestaOcultar respuesta

Porque al congelarse, los puentes de hidrógeno forman una red abierta: el hielo ocupa más volumen y es menos denso que el agua líquida.

3. ¿Qué se forma cuando el óxido de sodio reacciona con agua?Ver respuestaOcultar respuesta

Hidróxido de sodio, una base: $\ce{Na2O + H2O -> 2NaOH}$.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios resueltos sobre el agua

Referencias

• Chang, R. y Goldsby, K. A. (2017). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill.
• Garritz, A. y Chamizo, J. A. (2001). Tú y la química. Pearson Educación.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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