Temas Selectos de Química
Maestra: Margarita Graciela Lezama Cohen
CCH SUR
UNAM
QUÍMICA I Y II
Propiedades disolventes del agua
El agua es la sustancia más abundante en los seres vivos. Pero no por ser común, debido a su abundancia es una sustancia ordinaria, ya que reune una serie de propiedades que la hacen especial.
Las moléculas de agua están formadas por un átomo de oxígeno ligado a dos átomos de hidrógeno, cada uno compartiendo un par de electrones de un átomo de oxígeno y quedan separados por un ángulo de 104.5 grados. Cuando los átomos comparten electrones de este modo, se genera un enlace covalente. En las moléculas del agua, el oxígeno, y los átomos de hidrógeno comparten electrones en forma desigual, los electrones, que siempre llevan consigo una carga negativa, son llevados con mayor firmeza a átomos de oxígeno. La distribución desigual de cargas en la molécula del agua refleja la mayor electronegatividad o avidez de electrones del oxígeno con respecto al hidrógeno.
Las moléculas de agua son polares, con cargas parciales positivas en los hidrógenos. Debido a su polaridad, el agua puede formar interacciones electrostáticas con otras moléculas polares y con iones.
Las moléculas polares y los iones interactúan con los extremos parcialmente positivos y negativos del agua, de manera que las cargas positivas atraen a las negativas (como en los extremos + y - de los imanes).
MOLÉCULA DE H2O
Las moléculas del agua están vagamente unidas por enlaces débiles de hidrógeno, "puentes de hidrógeno, que le da su propiedad líquida. Si los enlaces del hidrógeno fuesen más fuertes, el agua sería una sustancia sólida, en lugar de líquida.
Una gota de agua contiene billones de moléculas. La tendencia de las moléculas de agua para pegarse se llama cohesión.
La polaridad del agua también los hace adhesiva, lo que significa que se sentirá atraído por otros tipos de moléculas con cargas positivas y negativas.
Ya que las cargas positivas y negativas se atraen mutuamente, las moléculas del agua polar se alinean cuando estos se aproximan el uno a otro, el final hidrógeno positivo de una molécula es atraído por el oxígeno negativo final de una segunda molécula. Esta atracción se llama enlace por puente de hidrógeno.
Cuando hay muchas más moléculas de agua en relación con las de soluto, como en una solución acuosa, estas interacciones forman una capa esférica de moléculas de agua alrededor del soluto, llamada capa de hidratación. Las capas de hidratación permiten la distribución uniforme de partículas en el agua.
¿Cómo es que la formación de una capa de hidratación hace que se disuelva un soluto? Como ejemplo, consideremos lo que le sucede a un compuesto iónico, como la sal de mesa (NaCl), cuando es agregada al agua.
Si se revuelve sal de mesa en agua, la red cristalina del NaCl comenzará a disociarse en iones de Na+y Cl. Las moléculas de agua forman capas de hidratación alrededor de los iones.
ENLACES POR PUENTES DE HIDRÓGENO
CAPAS DE HIDRATACIÓN
Los iones Na+ con carga positiva son rodeados por las cargas parciales negativas del lado del oxígeno de las moléculas de agua, mientras que los iones Cl- cargados negativamente son rodeados por los extremos del hidrógeno con carga parcial positiva. Durante este proceso, todos los iones en los cristales de la sal de mesa son rodeados por capas de hidratación y dispersados en la solución.
Las moléculas no polares, como las grasas y los aceites, no interactúan con el agua ni forman capas de hidratación. Estas moléculas no tienen regiones de cargas parciales positivas o negativas por lo que no son atraídas electrostáticamente por las moléculas de agua. Por eso, en lugar de disolverse, las sustancias no polares se mantienen separadas y forman capas o gotas cuando se ponen en agua.
Capacidad disolvente del agua
Sustancia hidrofóbicas, hidrofílicas y anfipáticas
Dado que el agua es la sustancia más abundante en el organismo, es de suma importancia entender cómo interacciona con las otras sustancias, orgánicas o inorgánicas, que forman parte de un ser vivo. Según el comportamiento que las sustancias tengan frente al agua, aquéllas pueden ser clasificadas en tres categorías: hidrofóbicas, hidrofílicas y anfipáticas.
Las sustancias hidrofílicas son las que tienen “amor por el agua”. Se trata de compuestos con algún tipo de polaridad, ya sean iónicos (con carga neta) o polares sin carga neta, pero con densidad de carga. Este tipo de sustancias son atraídas por las moléculas de agua, también polares, y se mezclan con ellas formando distintas clases de sistemas dispersos: soluciones, dispersiones coloidales y suspensiones.
El agua interacciona con los compuestos iónicos, como el cloruro de sodio, formando soluciones iónicas. El cloruro de sodio es un compuesto cristalino en el cual los iones ocupan posiciones definidas, formando un retículo que se repite en las tres dimensiones del espacio. Los cationes Na+ y los aniones Cl- se alternan ocupando los vértices de cubos imaginarios, de manera que cada Na+ queda rodeado por 6 Cl- y cada Cl- queda rodeado por 6 Na+.
Cuando el agua se pone en contacto con los cristales de cloruro de sodio, los polos positivos de las moléculas de agua son atraídos por los iones Cl- mientras que sus polos negativos son atraídos por los iones Na+. Las moléculas de agua rodean a los iones formando a su alrededor una “capa de solvatación”. La mayor distancia entre catión y anión debilita la unión iónica, produciendo la disolución del cristal. Debido a este comportamiento del agua frente a las partículas con carga, la fuerza de atracción entre dos iones en el agua es sólo 1/80 de la fuerza que actuaría en el vacío. La capacidad del agua para separar iones es muy alta, y técnicamente esta propiedad se expresa como una “alta constante dieléctrica del agua”. El agua es, entonces, un excelente disolvente para los compuestos iónicos.
Los compuestos covalentes polares se mezclan con las moléculas de agua estableciendo con ellas uniones puente de hidrógeno. La afinidad de estos compuestos polares por el agua se hace evidente cuando el agua “moja” determinadas superficies, por ejemplo las fibras de algodón (formadas por celulosa) o los componentes del suelo (arcillas).
Cuando las sustancias polares tienen PM relativamente bajos (las moléculas son pequeñas) se disuelven en agua, formando soluciones moleculares, sistemas homogéneos en los cuales las moléculas del soluto quedan rodeadas por las del solvente (agua) y enlazadas a ellas por medio de los puentes de hidrógeno. Por ejemplo, el etanol y los azúcares en general, entre ellos la sacarosa o azúcar de caña, se disuelven en agua de esta forma. Los puentes de hidrógeno se forman entre los átomos de oxígeno del agua y los átomos de hidrógeno del grupo hidroxilo (-OH) presente en estos compuestos.
Otras sustancias polares de mayor PM, como por ejemplo el almidón o ciertas proteínas, que son macromoléculas, se dispersan en agua formando sistemas heterogéneos, como las dispersiones coloidales o las suspensiones, ya que el tamaño de las partículas dispersas supera el límite de las soluciones. Los coloides o dispersiones coloidales pueden existir en dos estados, llamados estado de sol y estado de gel. En el estado de sol el agua actúa como fase dispersante. En el estado de gel, el sólido (macromolécula) forma redes en cuyos intersticios se ubican las moléculas de agua, es decir que éstas pasan a ser la fase dispersa.
Existen compuestos en los cuales una parte de la molécula es polar (con densidad de carga o incluso con carga neta), pero otra parte de la misma molécula es no polar. Por consiguiente, una parte de la molécula es afín al agua o hidrofílica, mientras que la otra rechaza al agua, es hidrofóbica. Cuando zonas hidrofílicas e hidrofóbicas conviven en la misma molécula, se dice que ésta es una molécula anfipática (con ambos tipos de afinidad). Las moléculas anfipáticas tienen un comportamiento especial en medios acuosos, donde se disponen formando estructuras en forma de bicapas o micelas. Dichas estructuras son de gran importancia en la organización de las membranas y otros procesos biológicos y serán analizadas más adelante.
En el siguiente cuadro se resume la interacción del agua con distintos tipos de compuestos:
A veces se dice que el agua es el "solvente universal" gracias a su habilidad para disolver una amplia gama de solutos. Sin embargo, este nombre no es completamente exacto, ya que existen algunas sustancias, como los aceites, que no se disuelven en agua. De manera general, el agua es buena para disolver iones y moléculas polares, pero mala para disolver moléculas no polares.
Bibliografía
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