El agua es una de las sustancias más abundantes e importantes de la Tierra. Sus numerosas propiedades únicas le permiten sustentar la vida desde el nivel celular hasta el ecosistema. Muchas de las cualidades únicas del agua se deben a la polaridad de sus moléculas, sobre todo a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno entre sí y con otras moléculas.
Aquí definiremos el enlace de hidrógeno en el agua, explicaremos sus mecanismos y discutiremos las distintas propiedades del agua que le confiere el enlace de hidrógeno.
¿Qué es el enlace de hidrógeno?
Un enlace de hidrógeno (H )es un enlace que se forma entre un átomo de hidrógeno parcialmente cargado positivamente y un átomo electronegativo, normalmente flúor (F), nitrógeno (N) u oxígeno (O).
Algunos ejemplos de enlaces de hidrógeno son las moléculas de agua, los aminoácidos de las moléculas de proteínas y las nucleobases que forman los nucleótidos de las dos cadenas del ADN.
¿Cómo se forman los enlaces de hidrógeno?
Cuando los átomos comparten electrones de valencia, se forma un enlace covalente. Los enlaces covalentesson polares o no polares en función de la electronegatividad de los átomos (la capacidad de un átomo para atraer electrones cuando está en un enlace).
Enlace covalente nopolar: los electrones se reparten por igual.
Enlacecovalentepolar : los electrones sereparten de forma desigual.
Debido al reparto desigual de electrones, una molécula polar tiene una región parcialmente positiva en un lado y una región parcialmente negativa en el otro. Debido a esta polaridad, un átomo de hidrógeno con un enlace covalente polar a un átomo electronegativo (por ejemplo, nitrógeno, flúor y oxígeno) es atraído por iones electronegativos o átomos cargados negativamente de otras moléculas.
Esta atracción conduce a la formación de un enlace de hidrógeno.
Los enlaces de hidrógeno no son enlaces "reales", como lo son los enlaces covalentes, iónicos y metálicos. Los enlaces covalentes, iónicos y metálicos son atracciones electrostáticas intramoleculares, es decir, mantienen unidos a los átomos dentro de una molécula. En cambio, los enlaces de hidrógeno son fuerzas intermoleculares, es decir, se producen entre moléculas. Aunque las atracciones de los enlaces de hidrógeno son más débiles que las interacciones iónicas o covalentes reales, son lo suficientemente potentes como para crear propiedades esenciales, que discutiremos más adelante.
Enlace de hidrógeno en el agua: biología
Elagua está formada por dos átomos de hidrógeno unidos mediante enlaces covalentes a un átomo de oxígeno (H-O-H). Elagua es una molécula polar porque sus átomos de hidrógeno y oxígeno comparten electrones de forma desigual debido a las diferencias de electronegatividad.
Cada átomo de hidrógeno contiene un núcleo formado por un único protón cargado positivamente con un electrón cargado negativamente orbitando alrededor del núcleo. En cambio, cada átomo de oxígeno contiene un núcleo formado por ocho protones cargados positivamente y ocho neutrones sin carga, con ocho electrones cargados negativamente orbitando alrededor del núcleo.
El átomo de oxígeno tiene una electronegatividad mayor que el átomo de hidrógeno, por lo que los electrones son atraídos por el oxígeno y repelidos por el hidrógeno. Cuando se forma la molécula de agua, los diez electrones se emparejan en cinco orbitales distribuidos de la siguiente manera:
Un par está unido al átomo de oxígeno.
Dos pares están unidos al átomo de oxígeno como electrones exteriores.
Dos pares forman los dos enlaces covalentes O-H.
Cuando se forma la molécula de agua, quedan dos pares solitarios. Los dos pares solitarios se asocian al átomo de oxígeno. Como resultado, los átomos de oxígeno tienen una carga parcial negativa (δ-), mientras que los átomos de hidrógeno tienen una carga parcial positiva (δ+).
Esto significa que la molécula de agua no tiene carga neta, pero los átomos de hidrógeno y oxígeno tienen cargas parciales.
Como los átomos de hidrógeno de una molécula de agua están parcialmente cargados positivamente, se sienten atraídos por los átomos de oxígeno parcialmente negativos de las moléculas de agua cercanas, lo que permite que se formen enlaces dehidrógeno entre lasmoléculas de agua cercanas u otras moléculas con carga negativa. El enlace de hidrógeno se produce constantemente entre las moléculas de agua. Aunque los enlaces de hidrógeno individuales tienden a ser débiles, crean un impacto considerable cuando se forman en gran número, lo que suele ocurrir en el agua y los polímeros orgánicos.
¿Cuál es el número de enlaces de hidrógeno que pueden formarse en las moléculas de agua?
Las moléculas deagua contienen dos pares solitarios y dos átomos de hidrógeno, todos ellos conectados al átomo de oxígeno, fuertemente electronegativo. Esto significa que cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces (dos en los que es el extremo receptor del enlace h, y dos en los que es el dador en el enlace h).
Sin embargo, como los enlaces de hidrógeno son más débiles que los enlaces covalentes, se forman, rompen y reconstruyen fácilmente en el agua líquida. En consecuencia, el número exacto de enlaces de hidrógeno creados por molécula varía.
¿Cuáles son los efectos y consecuencias de los enlaces de hidrógeno en el agua?
El enlace de hidrógeno en el agua confiere varias propiedades que son importantes para mantener la vida. En la siguiente sección hablaremos de algunas de estas propiedades.
Propiedad disolvente
Las moléculas de aguason excelentes disolventes. Las moléculaspolares son sustancias hidrófilas ("amantes del agua").
Las moléculashidrófilas interactúan con el agua y se disuelven fácilmente en ella.
Esto se debe a que el ion negativo del soluto atraerá la región cargada positivamente de la molécula de agua y viceversa, haciendo que los iones se disuelvan.
El cloruro sódico (NaCl), también conocido como sal de mesa, es un ejemplo de molécula polar. Se disuelve fácilmente en el agua porque el átomo de oxígeno parcialmente negativo de la molécula de agua es atraído por los iones Na+ parcialmente positivos. Por otra parte, los átomos de hidrógeno parcialmente positivos son atraídos por los iones Cl- parcialmente negativos. Esto hace que la molécula de NaCl se disuelva en el agua.
Moderación de la temperatura
Los enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua reaccionan a los cambios de temperatura, lo que confiere al agua sus características únicas en estado sólido, líquido y gaseoso.
En su estadolíquido , las moléculas de agua se mueven constantemente unas junto a otras, ya que los enlaces de hidrógeno se rompen y recombinan continuamente.
En su estadogaseoso , las moléculas de agua tienen mayor energía cinética, lo que provoca la ruptura de los enlaces de hidrógeno.
En estadosólido , las moléculas de agua se expanden porque los enlaces de hidrógeno las separan. Al mismo tiempo, los enlaces de hidrógeno mantienen unidas las moléculas de agua, formando una estructura cristalina. Esto hace que el hielo (agua sólida) tenga una densidad menor que el agua líquida.
Los enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua le confieren una elevada capacidad calorífica específica.
Elcalor específico se refiere a la cantidad de calor que debe absorber o perder un gramo de sustancia para que su temperatura cambie un grado centígrado.
La elevada capacidad calorífica específica del agua significa que se necesita mucha energía para provocar cambios de temperatura. La elevada capacidad calorífica específica del agua le permite mantener una temperatura estable, vital para sustentar la vida en la Tierra.
Del mismo modo, el enlace de hidrógeno confiere al agua un elevado calor devaporización,
El calor de vaporización es la cantidad de energía necesaria para que una sustancia líquida se convierta en gaseosa.
De hecho, se necesitan 586 cal de energía térmica para convertir un gramo de agua en gas. Esto se debe a que es necesario romper los enlaces de hidrógeno para que el agua líquida pase al estado gaseoso. Una vez que alcanza su punto de ebullición (100° C o 212° F), los enlaces de hidrógeno del agua se rompen, provocando su evaporación.
Cohesión
Los enlaces de hidrógeno hacen que las moléculas de agua permanezcan cerca unas de otras, lo que hace que el agua sea una sustancia muy cohesiva.
Es lo que hace que el agua sea "pegajosa".
Lacohesión se refiere a la atracción de moléculas similares -en este caso, agua- que mantienen unida la sustancia.
El agua se agrupa para formar "gotas " debido a su propiedad cohesiva. La cohesión da lugar a otra propiedad del agua: la tensión superficial.
La tensión superficial
Latensión superficial es la propiedad que permite a una sustancia resistir la tensión y evitar la ruptura.
La tensión superficial creada por los enlaces de hidrógeno en el agua es similar a la de las personas que forman una cadena humana para evitar que otras rompan sus manos unidas.
Tanto la cohesión del agua consigo misma como la fuerte adhesión del agua a la superficie que está tocando hacen que las moléculas de agua cercanas a la superficie se muevan hacia abajo y hacia los lados.
Por otra parte, el aire que tira hacia arriba ejerce una pequeña fuerza sobre la superficie del agua. Como resultado, se produce una fuerza neta de atracción entre las moléculas de agua de la superficie, lo que da lugar a una lámina muy plana y fina de moléculas. Las moléculas de agua de la superficie se adhieren entre sí, impidiendo que los objetos que yacen en la superficie se hundan.
La tensión superficial es la razón por la que un clip que colocas con cuidado en la superficie del agua puede flotar. Mientras sea así, un objeto pesado, o que no hayas colocado con cuidado en la superficie del agua, puede romper la tensión superficial, haciendo que se hunda.
Adhesión
Laadhesión se refiere a la atracción entre moléculas diferentes.
El agua es muy adhesiva; se adhiere a una gran variedad de cosas. El agua se adhiere a otras cosas por la misma razón por la que se adhiere a sí misma: es polar; por tanto, se siente atraída por las sustancias cargadas. El agua se adhiere a diversas superficies, como plantas, utensilios e incluso a tu pelo cuando está mojado después de ducharte.
En cada una de estas situaciones, la adhesión es la razón por la que el agua se adhiere a algo o lo moja.
Capilaridad
La capilaridad(o acción capilar) es la tendencia del agua a ascender por una superficie contra la fuerza de la gravedad debido a su propiedad adhesiva.
Esta tendencia se debe a que las moléculas de agua se sienten más atraídas por dichas superficies que otras moléculas de agua.
Si has mojado antes una toalla de papel en agua, habrás observado que el agua "sube" por la toalla de papel contra la fuerza de la gravedad; esto ocurre gracias a la capilaridad. Del mismo modo, podemos observar capilaridad en telas, suelos y otras superficies en las que hay pequeños espacios por los que pueden moverse los líquidos.
¿Cuál es la importancia del enlace de hidrógeno del agua en biología?
En la sección anterior hemos hablado de las propiedades del agua. ¿Cómo permiten éstas procesos bioquímicos y físicos esenciales para mantener la vida en la Tierra? Analicemos algunos ejemplos concretos.
El agua es un excelente disolvente , lo que significa que puede disolver una amplia gama de compuestos. Dado que la mayoría de los procesos bioquímicos cruciales tienen lugar en un entorno acuoso dentro de las células, esta propiedad del agua es fundamental para que se produzcan dichos procesos. La elevada capacidad calorífica específica del agua permite a las grandes masas de agua regular la temperatura.
Por ejemplo, las zonas costeras tienen temperaturas estivales e invernales menos rigurosas que las grandes masas de tierra, porque éstas pierden calor más rápidamente que el agua.
Del mismo modo, el elevado calor de vaporización del agua significa que en el proceso de cambio del estado líquido al gaseoso se consume mucha energía, lo que provoca el enfriamiento del entorno.
Por ejemplo, la sudoración en muchos organismos vivos (incluido el ser humano) es un mecanismo que mantiene la homeostasis de la temperatura corporal enfriando el cuerpo.
La cohesión, la adhesión y la capilaridad son propiedades importantes del agua que permiten la captación de agua en las plantas. El agua puede ascender por las raíces gracias a la capilaridad. También puede desplazarse por el xilema para llevar el agua hasta las ramas y las hojas.
Enlace de hidrógeno en el agua - Puntos clave
- Un enlace de hidrógeno esun enlace que se forma entre un átomo de hidrógeno parcialmente cargado positivamente y un átomo electronegativo.
- El agua es una molécula polar: sus átomos de oxígeno tienen una carga parcial negativa (δ-), mientras que sus átomos de hidrógeno tienen una carga parcial positiva (δ+).
- Estas cargas parciales permiten que se formen enlaces de hidrógeno entre una molécula de agua y las moléculas de agua cercanas u otras moléculas con carga negativa.
- Gracias a los enlaces de hidrógeno, las moléculas de agua tienen propiedades importantes para la vida.
- Estas propiedades incluyen la capacidad disolvente, la moderación de la temperatura, la cohesión, la tensión superficial, la adhesión y la capilaridad.
Referencias
- Zedalis, Julianne, et al. Libro de Texto de Biología de Colocación Avanzada para Cursos AP. Agencia de Educación de Texas.
- Reece, Jane B., et al. Biología Campbell. Undécima ed., Pearson Higher Education, 2016.
- Universidad de Hawai en Mānoa, Explorando nuestra Tierra fluida. Los enlaces de hidrógeno hacen que el agua sea pegajosa.
- "15.1: Estructura del agua". LibreTextos de Química, 27 de junio de 2016.
- Belford, Robert. "11.5: Enlaces de Hidrógeno". Chemistry LibreTexts, 3 de enero de 2016.
- Escuela de Ciencias del Agua. "Adhesión y cohesión del agua". Servicio Geológico de EE.UU., 22 oct. 2019.
- Escuela de Ciencias del Agua. "La acción capilar y el agua". Servicio Geológico de EE.UU., 22 Oct. 2019.
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