Agua en Reacciones Químicas

Significado del agua en las reacciones químicas

En las reacciones químicas, el agua puede actuar de muchas maneras. Algunas de ellas son como donante o aceptor de enlaces de hidrógeno, así como donante o aceptor de protones (^H+), lo que permite al agua facilitar las reacciones de muchas maneras.

Y lo que es más importante, el agua actúa como disolvente en muchas reacciones químicas. En muchos contextos químicos, la reacción química no tiene lugar sin agua. En estos casos, el agua permite que se produzcan estas reacciones.

Papel del agua en las reacciones químicas

Aquí examinaremos cómo el agua es capaz de facilitar múltiples tipos de reacciones químicas.

Lo más importante es que, debido a su capacidad como disolvente, permite la libre circulación de iones y compuestos, que es lo que permite que se produzcan muchas reacciones. Como los iones o compuestos pueden moverse libremente en estado disuelto (como cuando están disueltos en agua), es más fácil que se produzcan reacciones químicas, lo que demuestra aún más la capacidad del agua para facilitar las reacciones químicas.

Pero, ¿qué es el agua? ¿Y cómo puede ayudar a las reacciones químicas?

¿Cómo actúa el agua en contextos químicos?

¿Qué es el agua? La fórmula química del agua pura es: _H2O. Esto significa que es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno, unidos covalentemente a un átomo de oxígeno. Esto funciona en el contexto del enlace atómico debido a la necesidad del oxígeno de ganar dos electrones adicionales( el estado de oxidación del oxígeno es -2) que obtiene de dos hidrógenos, donde cada uno comparte su electrón (ya que el estado de oxidación del hidrógeno es +1).

La geometría molecular curvada de una molécula de agua

Si observamos la geometría molecular del agua, vemos que está doblada. Puedes verlo en el diagrama lateral, pero ¿a qué se debe?

Observando más de cerca el átomo central, en este caso el oxígeno, podemos utilizar la teoría VSEPR para determinar la forma de la molécula. Como el oxígeno tiene cuatro dominios de electrones (dos pares enlazados y dos pares solitarios), se dispondrán en una geometría tetraédrica. Como sólo hay dos enlaces, sólo éstos serán prominentes y se mostrarán.

Esta forma es la que confiere al agua muchas de sus interesantes propiedades.

Debido a que el agua es una molécula doblada y a que existen diferencias de electronegatividad entre el O y el H, la molécula de agua es en realidad un dipolo.

Esto también permite que el agua forme enlaces de hidrógeno entre sí. Como puedes ver en el diagrama, las moléculas de agua interactúan entre sí mediante estas cargas parciales, que confieren al agua todas sus propiedades físicas y químicas.

Diagrama que muestra la forma molecular y el ángulo de una molécula de agua con polos parciales en A, y el enlace de hidrógeno del agua en B

Pero, ¿por qué es importante que el agua sea un dipolo? Como el agua es un dipolo, es decir, una molécula polar, puede permitir que se produzcan muchas reacciones químicas. ¿Pero cómo?

Fórmula del agua en las reacciones químicas

A continuación veremos cómo el agua actúa de tres formas distintas en las reacciones químicas. Esto incluye la disolución de compuestos iónicos, la formación de enlaces de hidrógeno con otros compuestos y también la actuación en reacciones ácido/base.

1. Disolución de compuestos iónicos

En primer lugar, el agua es un gran disolvente por ser una molécula dipolar. Esto significa que el agua puede disolver fácilmente cualquier compuesto iónico, como cualquier sal. Rompe el enlace iónico para dejar dos iones: uno positivo y otro negativo. Como el agua es un dipolo, puede proteger a los iones de ambas formas. Rodea al catión (el ion positivo) con los átomos de oxígeno cargados negativamente, y al anión (el ion cargado negativamente) con los hidrógenos. Esto permite una estabilidad adecuada del compuesto iónico en el agua. Como se ve a continuación, esto es lo que ocurre.

Sal iónica_(s) + \( H_2O\) => ^Catión+_(aq) + ^Anión-_(aq) + \(H_2O\)

2. Enlace de hidrógeno con compuestos

Como el agua es una molécula polar, también es capaz de disolver cualquier sustancia polar. De forma similar al ejemplo anterior de los compuestos iónicos, las moléculas de agua se disponen de tal forma que protegen partes específicas necesarias de una molécula polar. Puede que esto no provoque la ruptura de enlaces como en el ejemplo de las sales iónicas, sino que se base tanto en sus propiedades polares como en sus propiedades de enlace de hidrógeno.

El agua puede interactuar con sustancias capaces de formar enlaces de hidrógeno para disolverlas, haciéndolas así más móviles en el agua y permitiendo que se produzcan reacciones. Puede actuar tanto como aceptor como donante de enlaces de hidrógeno. En este caso, el compuesto en cuestión permanecerá igual y sin cambios, pero su disolución proporcionará mayores medios para que se produzcan reacciones químicas.

Compuesto(_sólido) + \(H_2O\) => Compuesto_(disuelto) + \( H_2O\)

3. Función de donante/aceptante de protones

La última propiedad clave del agua es su capacidad para ser donante o aceptora de protones. Esto se basa en la capacidad intrínseca del agua para añadir o separar un hidrógeno de sí misma. Las siguientes reacciones muestran esta capacidad:

$$ H_2O + H^+ + OH^- $$

$$ H_2O + H^+ \rightarrow H_3O^+ $$

Cuando esto ocurre, se forma un ion hidróxido (^OH-) o un ion hidronio (^H3O+). En este caso, el ion hidrógeno positivo (^H+) se denomina protón, ya que no es más que un átomo con un protón y sin neutrones ni electrones.

Debido a esta propiedad del agua, puede ayudar a que se produzcan muchas reacciones. La más importante es la reacción ácido-base, pero no se limita a ella. Esta propiedad del agua también se emplea en muchas reacciones de síntesis orgánica e incluso en la catálisis de ciertas reacciones.

Ejemplos de agua en las reacciones químicas

En primer lugar, la más básica de las reacciones podría considerarse la disolución de sales sólidas a través del agua. He aquí el ejemplo de la sal de mesa común (NaCl) disuelta, que crea iones acuosos.

$$ NaCl_(s)} + H_2O \rightarrow Na^+_{(aq)} + H_2O $$

De forma similar, el agua también puede utilizarse para disolver otras moléculas con enlace covalente, normalmente mayores que las sales. En este caso, el compuesto no se separa en el agua, pero sigue disuelto. Un ejemplo sería la glucosa. Este azúcar formará enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua y podrá ser disuelto por el agua circundante. Observa cómo en el ejemplo siguiente, la composición del compuesto (glucosa en este ejemplo) no cambia de sólido a su forma acuosa.

$$ C_6H_{12}O_{6(S)}+H_2O\rightarrow C_6H_{12}O_{6(aq)}+H_2O $$

Otra reacción habitual en la que interviene el agua son las reacciones mediadas por ácidos y bases. Como hemos visto antes, la capacidad del agua para dividirse y crear iones hidróxido o hidronio es la reacción que pueden utilizar las reacciones ácidas o básicas. A continuación, se muestra un ejemplo de cómo el ácido clorhídrico es capaz de formar un ácido fuerte en el agua:

$$ HCl_{(aq)}+H_2O{\a}- H_3O^++Cl^- $$

Reacción química del cloro en el agua

¿Qué ocurre cuando se añade cloro al agua? Si realizas una sencilla prueba de tornasol, observarás que el pH disminuye. Observa la siguiente ecuación que justifica este comportamiento.

$$ Cl_2+H_2O en flecha recta HOCl+HCl $$

Esta reacción se denomina a veces hidrólisis. Sus productos son HCl, que es un ácido fuerte, de ahí la disminución del pH al añadir cloro. Otro producto es el gas oxígeno, por lo que si realizas este experimento observarás que se forman burbujas de este gas.