Formacion de la molecula del agua

Diagrama de la molécula de agua positiva y negativa

El agua nos resulta muy familiar y su sencilla estructura molecular, H2O, es bien conocida incluso por los estudiantes de secundaria. Aunque es difícil de creer que el estado del agua aún no se haya aclarado del todo, el agua sigue rodeada de misterio. Aunque la gente tiende a pensar que la investigación científica sólo se dirige a fenómenos desconocidos y novedosos, es una tarea importante de la investigación científica intentar encontrar y aclarar fenómenos misteriosos en sustancias comunes como el agua y el hielo. Quizá le sorprenda saber que la estructura del agua se estudia en el SPring-8, una de las principales instalaciones de investigación científica óptica del mundo. Sin embargo, hay buenas razones para llevar a cabo esta investigación. ¿Se ha preguntado alguna vez dónde almacena el hielo su enorme cantidad de energía fría (energía para enfriar objetos), por qué la densidad del agua es mayor a 4°C y disminuye tanto por debajo como por encima de 4°C, o por qué la densidad del hielo sólido es menor que la del agua líquida? Para responder a estas preguntas, es esencial aclarar la estructura del agua, una cuestión que sigue generando controversia. Recientemente, se ha llevado a cabo el análisis estructural del agua y del hielo en SPring-8, y se han revelado algunos datos nuevos que pueden conducir a la resolución de algunos argumentos de larga data sobre la naturaleza del agua.

Estructura de la molécula de agua

Una molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. El único anillo de electrones que rodea el núcleo de cada átomo de hidrógeno sólo tiene un electrón. La carga negativa del electrón se equilibra con la carga positiva de un protón en el núcleo de hidrógeno. En realidad, el anillo de electrones del hidrógeno preferiría poseer dos electrones para crear una configuración estable. El oxígeno, por otro lado, tiene dos anillos de electrones con un anillo interior que tiene 2 electrones, lo cual es genial porque es una configuración estable. El anillo exterior, por otro lado, tiene 6 electrones pero le gustaría tener 2 más porque, en el segundo anillo de electrones, 8 electrones es la configuración estable. Para equilibrar la carga negativa de 8 (2+6) electrones, el núcleo del oxígeno tiene 8 protones. Al hidrógeno y al oxígeno les gustaría tener configuraciones electrónicas estables, pero no las tienen como átomos individuales. Pueden salir de este apuro si se ponen de acuerdo para compartir electrones (una especie de «tratado» energético). Así, el oxígeno comparte uno de sus electrones exteriores con cada uno de los dos átomos de hidrógeno, y cada uno de los dos átomos de hidrógeno comparte su único electrón con el oxígeno. Esto se llama enlace covalente. Cada átomo de hidrógeno cree que tiene dos electrones, y el átomo de oxígeno cree que tiene 8 electrones exteriores. Todo el mundo está contento, ¿no?

Tamaño de la molécula de agua

Hemos modelado los componentes del agua, pero ¿cómo ayudan los modelos de dos gases (los elementos hidrógeno y oxígeno) a entender cómo el agua es la base de la vida? El tercer postulado de Dalton afirma que los átomos son las unidades de los cambios químicos. Cuando los gases hidrógeno y oxígeno se mezclan y la mezcla se enciende, se forma vapor de agua (que luego se condensará en agua líquida cuando el fuego se apague). La reacción libera mucho calor, como puedes ver en esta foto de la explosión del Hindenburg:

Figura \ (\PageIndex{1}) Hidrógeno en el Hindenburg reaccionando con el oxígeno del aire. El Zeppelin LZ 129 Hindenburg incendiándose el 6 de mayo de 1937 en la Estación Aérea Naval de Lakehurst en Nueva Jersey. (Dominio público; creidt Gus Pasquerella).

Hay muchos vídeos de la explosión de hidrógeno en la web o en YouTube, así como vídeos del Hindenburg y del desastre. Estos espectaculares vídeos muestran la evidencia de un cambio químico: los enlaces H-H y O-O más débiles se rompen (por eso hay que añadir energía, o encender, la mezcla), pero luego la formación de enlaces H-O muy fuertes en el agua, H-O-H libera mucha energía.

Diagrama de la molécula de agua etiquetada

El agua tiene una sorprendente capacidad para adherirse (pegarse) a sí misma y a otras sustancias. La propiedad de la cohesión describe la capacidad de las moléculas de agua de ser atraídas por otras moléculas de agua, lo que permite que el agua sea un líquido «pegajoso».

Los enlaces de hidrógeno son atracciones de fuerza electrostática causadas por la diferencia de carga entre iones de hidrógeno ligeramente positivos y otros iones ligeramente negativos.  En el caso del agua, los enlaces de hidrógeno se forman entre átomos de hidrógeno y oxígeno vecinos de moléculas de agua adyacentes. La atracción entre moléculas de agua individuales crea una unión conocida como enlace de hidrógeno.