Estándares:

• Relaciona la estructura química del agua con sus funciones biológicas.

3.1 ESTRUCTURA DEL AGUA Y PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS

Todos los seres vivos tienen agua en su medio interno ya que posee unas propiedades concretas que derivan en diferentes funciones esenciales. Por ejemplo, la mayor parte de las reacciones químicas y metabólicas ocurren en el hialoplasma celular, el cual está compuesto de agua en su mayoría. En el caso del ser humano un 60-70% de nuestro organismo está compuesto por agua.

Aunque es una molécula eléctricamente neutra, posee una distribución irregular de la densidad electrónica, pues el oxígeno, uno de los elementos más electronegativos, atrae hacia sí los electrones de ambos enlaces covalentes, de manera que alrededor del átomo de oxígeno se concentra la mayor densidad electrónica (carga negativa) y cerca de los hidrógenos hay menor densidad electrónica (carga positiva). Esta distribución espacial de las cargas se define como momento dipolar que hace que a pesar de ser una molécula sin carga, adquiera un carácter polar.

La molécula tiene una geometría angular (los dos átomos de hidrógeno forman un ángulo de unos 104,5º, lo que hace de ella una molécula polar que puede unirse a otras muchas sustancias polares.

La atracción electrostática entre la carga parcial positiva cercana a los átomos de hidrógeno de una molécula de agua y la carga parcial negativa cercana al oxígeno de otra, permite la unión de moléculas de agua vecinas mediante un enlace químico muy especial y de excepcional importancia para la vida y que explica el amplio abanico de sus propiedades físicas y químicas: el puente de hidrógeno. Cada molécula de agua puede potencialmente formar 4 puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas de agua dando lugar a una estructura tetraédrica reticular relativamente ordenada, y de gran cohesividad.  Los puentes de hidrógeno, forman grupos de 3, 4 y hasta 9 moléculas de agua que alcanzan pesos moleculares más altos y se comportan como un líquido, de manera que tienen una «gran masa molecular aparente».

Estas características le dan al agua sus peculiares propiedades físico-químicas:

PROPIEDADES QUÍMICAS

• La polaridad de la molécula (elevada constante dieléctrica) le otorgan al agua su gran capacidad de disolución: Las redes cristalinas de las sales se disuelven en el agua formando iones (NaCl), formando aniones Cl- y cationes Na+. Otras moléculas como los aminoácidos, los nucleótidos o los monosacáridos también se disuelven en agua.

• Bajo grado de ionización: El agua no es un líquido químicamente puro, ya que se trata de una solución iónica que siempre contiene algunos iones H₃O⁺ y OH^– . (Se utiliza el símbolo H⁺, en lugar de H₃O⁺). La realidad es que de cada 10⁷ de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada.

El producto iónico del agua es constante [H⁺]·[OH^–]= 10^-14 y constituye la base para establecer la escala de pH, que mide la acidez o alcalinidad de una disolución acuosa , es decir, su concentración de iones [H⁺] o [OH^–] respectivamente. Definimos el pH como: pH=-log[H⁺]. El pH del agua es 7 y lo consideramos neutro. Valores mayores serán básicos o alcalinos y valores menores ácidos.

PROPIEDADES FÍSICAS

• La gran cohesividad intermolecular, le dan al agua un alto punto de ebullición y un alto punto de fusión.
• Elevado calor específico El calor específico es la energía necesaria para incrementar 1ºC a un 1g de materia. Para subir 1ºC de temperatura de 1 gramo de agua, es necesaria una gran cantidad de energía (el agua puede absorber gran cantidad de calor sin aumentar su temperatura, por ello se utiliza como refrigerante de las centrales nucleares). Esto se debe a que el calor que absorbe se emplea en romper los puentes de Hidrógeno y no en hacer vibrar la molécula.
• El agua es además un líquido prácticamente incompresible ya que mantiene constante su volumen aunque se le apliquen fuertes presiones.
• Elevada tensión superficial, su superficie ofrece resistencia a ser traspasada
• Elevada fuerza de adhesión, a la superficie que la contiene. Estas fuerzas permiten al agua ascender por las paredes de un capilar en contra de la gravedad si su sección es reducida.

• Elevado calor latente, necesita grandes cantidades de energía para cambiar de estado. Por ello, el agua es líquida en el amplio rango de temperaturas en las que se producen la reacciones de la vida y no un gas como le correspondería por su bajo peso molecular.
• La densidad anómala (agua líquida más densa que el agua sólida) Esto se debe a que la estructura reticular del hielo presenta todos sus posibles 4 enlaces de hidrógeno, ocupando mayor volumen que en el agua líquida.

El volumen de agua sólida aumenta un 15% pero su masa se mantiene invariable (recuerden que d=m/V), por lo tanto la densidad disminuye con respecto al estado líquido. En vez de una estructura laminar (estado líquido) y conforma una estructura cristalina (estado sólido). Esto provoca que, en grandes masas de agua como ríos, lagos, mares, etc., la parte superior se congele y flote, aislando el interior, en estado líquido, del exterior e impidiendo que este se congele también.

3.2 LA IMPORTANCIA DEL AGUA PARA LA VIDA. FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA

El agua desempeña funciones muy importantes en los organismos vivos:

• FUNCIÓN DISOLVENTE. El agua es básica para la vida ya que prácticamente todas las reacciones biológicas tienen lugar en un medio acuoso.

Al ser un dipolo la molécula de agua es capaz de disolver aquellas sustancias que tienen carga.. Por ejemplo, los lípidos o disolventes orgánicos, al no tener polaridad, no se disuelven en agua (por eso no se mezclan el agua y el aceite por sí solos, ya que el agua presenta fuerte polaridad y los lípidos no). Esta función está relacionada con la elevada constante dieléctrica del agua. Es un dipolo y por ello las sustancias con carga se “pegan” a ella.

• FUNCIÓN BIOQUÍMICA O METABÓLICA. El agua interviene en muchas reacciones químicas, por ejemplo en la hidrólisis (rotura de enlaces con intervención de agua) como ocurre en las reacciones que tienen lugar durante la digestión de los alimentos.

• FUNCIÓN DE TRANSPORTE. El agua es el medio de transporte de las sustancias desde el exterior al interior de los organismos y en el propio organismo.

En el caso de las plantas, la capilaridad contribuye a la ascensión de la savia bruta a través de los vasos leñosos, en el caso de los vertebrados, la sangre.

• FUNCIÓN ESTRUCTURAL. El volumen y forma de las células que carecen de una envuelta rígida se mantienen gracias a la presión que ejerce el agua interna. Al perder agua las células pierden su turgencia natural, se arrugan o si entra mucha agua del exterior pueden romperse (lisis).

Ej: la lombriz de tierra (esqueleto hidrostático), este ser vivo mantiene su estructura y forma gracias al agua de su medio interno.

• FUNCIÓN TERMORREGULADORA. Se debe a su elevado calor específico y a su elevado calor de vaporización que hace que el agua sea un material idóneo para mantener constante la temperatura, absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía cuando es necesario.

• FUNCIÓN AMORTIGUADORA. Debido a su elevada cohesión molecular, el agua sirve como lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento. Esta función está relacionada con la incompresibilidad.

Por ejemplo: entre célula y célula hay agua que las mantiene separadas y evita choques y rozaduras. En zonas como el ojo y la garganta la ausencia de agua produce fricción y rozamiento, lo que provoca lesiones. También, en la gestación de los mamíferos, el líquido amniótico (gran cantidad de agua) amortigua los golpes y protege al feto. Los vertebrados poseen en las articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce de los huesos. El sistema nervioso central está rodeado de 3 membranas (meninges) que contienen el líquido cefalorraquídeo.

• AISLANTE TÉRMICO: Posibilita la vida acuática en climas fríos.

Debido a su aumento de volumen, cuando se encuentra en estado sólido, el hielo flota sobre el agua líquida creando un espacio submarino y aislando el mismo de los efectos térmicos del exterior. Gracias a esto sobreviven muchas especies.