Artículo principal: Molécula de agua.
Modelo mostrando los enlaces de hidrógeno entre moléculas de
agua.
El impacto de una gota sobre la superficie del agua provoca
unas ondas características, llamadas ondas capilares.
Acción capilar del agua y el mercurio.
El agua es una sustancia que químicamente se formula como
H2O; es decir, que una molécula de agua se compone de dos átomos de hidrógeno
enlazados covalentemente a un átomo de oxígeno.
Fue Henry Cavendish quien descubrió en 1781 que el agua es
una sustancia compuesta y no un elemento, como se pensaba desde la Antigüedad.
Los resultados de dicho descubrimiento fueron desarrollados por Antoine Laurent
de Lavoisier dando a conocer que el agua estaba formada por oxígeno e
hidrógeno. En 1804, el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac y el naturalista
y geógrafo alemán Alexander von Humboldt demostraron que el agua estaba formada
por dos volúmenes de hidrógeno por cada volumen de oxígeno (H2O). Las
propiedades fisicoquímicas más notables del agua son:
• El agua
es insípida e inodora en condiciones normales de presión y temperatura. El
color del agua varía según su estado: como líquido, puede parecer incolora en
pequeñas cantidades, aunque en el espectrógrafo se prueba que tiene un ligero
tono azul verdoso. El hielo también tiende al azul y en estado gaseoso (vapor
de agua) es incolora.11
• El agua
bloquea sólo ligeramente la radiación solar UV fuerte, permitiendo que las
plantas acuáticas absorban su energía.
• Ya que
el oxígeno tiene una electronegatividad superior a la del hidrógeno, el agua es
una molécula polar. El oxígeno tiene una ligera carga negativa, mientras que
los átomos de hidrógenos tienen una carga ligeramente positiva del que resulta
un fuerte momento dipolar eléctrico. La interacción entre los diferentes
dipolos eléctricos de una molécula causa una atracción en red que explica el
elevado índice de tensión superficial del agua.
• La
fuerza de interacción de la tensión superficial del agua es la fuerza de van
der Waals entre moléculas de agua. La aparente elasticidad causada por la
tensión superficial explica la formación de ondas capilares. A presión constante,
el índice de tensión superficial del agua disminuye al aumentar su
temperatura.12 También tiene un alto valor adhesivo gracias a su naturaleza
polar.
• La
capilaridad se refiere a la tendencia del agua de moverse por un tubo estrecho
en contra de la fuerza de la gravedad. Esta propiedad es aprovechada por todas
las plantas vasculares, como los árboles.
• Otra
fuerza muy importante que refuerza la unión entre moléculas de agua es el
enlace por puente de hidrógeno.13
• El punto
de ebullición del agua (y de cualquier otro líquido) está directamente
relacionado con la presión atmosférica. Por ejemplo, en la cima del Everest, el
agua hierve a unos 68º C, mientras que al nivel del mar este valor sube hasta
100º. Del mismo modo, el agua cercana a fuentes geotérmicas puede alcanzar
temperaturas de cientos de grados centígrados y seguir siendo líquida.14 Su
temperatura crítica es de 373,85 °C (647,14 K), su valor específico de fusión
es de 0,334 kJ/g y su índice específico de vaporización es de 2,23kJ/g.15
• El agua
es un disolvente muy potente, al que se ha catalogado como el disolvente
universal, y afecta a muchos tipos de sustancias distintas. Las sustancias que
se mezclan y se disuelven bien en agua —como las sales, azúcares, ácidos,
álcalis, y algunos gases (como el oxígeno o el dióxido de carbono, mediante
carbonación)— son llamadas hidrófilas, mientras que las que no combinan bien
con el agua —como lípidos y grasas— se denominan sustancias hidrófobas. Todos
los componentes principales de las células de proteínas, ADN y polisacáridos se
disuelven en agua. Puede formar un azeótropo con muchos otros disolventes.
• El agua
es miscible con muchos líquidos, como el etanol, y en cualquier proporción,
formando un líquido homogéneo. Por otra parte, los aceites son inmiscibles con
el agua, y forman capas de variable densidad sobre la superficie del agua. Como
cualquier gas, el vapor de agua es miscible completamente con el aire.
• El agua
pura tiene una conductividad eléctrica relativamente baja, pero ese valor se
incrementa significativamente con la disolución de una pequeña cantidad de
material iónico, como el cloruro de sodio.
• • El agua tiene el segundo índice
más alto de capacidad calorífica específica —sólo por detrás del amoníaco— así
como una elevada entalpía de vaporización (40,65 kJ mol-1); ambos factores se
deben al enlace de hidrógeno entre moléculas. Estas dos inusuales propiedades
son las que hacen que el agua "modere" las temperaturas terrestres,
reconduciendo grandes variaciones de energía. La densidad del agua líquida es
muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión. A la presión
normal (1 atmósfera), el agua líquida tiene una mínima densidad (0,958 kg/l) a
los 100 °C. Al bajar la temperatura, aumenta la densidad (por ejemplo, a 90 °C
tiene 0,965 kg/l) y ese aumento es constante hasta llegar a los 3,8 °C donde
alcanza una densidad de 1 kg/litro. Esa temperatura (3,8 °C) representa un
punto de inflexión y es cuando alcanza su máxima densidad (a la presión
mencionada). A partir de ese punto, al bajar la temperatura, la densidad
comienza a disminuir, aunque muy lentamente (casi nada en la práctica), hasta
que a los 0 °C disminuye hasta 0,9999 kg/litro. Cuando pasa al estado sólido (a
0 °C), ocurre una brusca disminución de la densidad pasando de 0,9999 kg/l a
0,917 kg/l.
• El agua
puede descomponerse en partículas de hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis.
• Como un
óxido de hidrógeno, el agua se forma cuando el hidrógeno —o un compuesto
conteniendo hidrógeno— se quema o reacciona con oxígeno —o un compuesto de
oxígeno—. El agua no es combustible, puesto que es un producto residual de la
combustión del hidrógeno. La energía requerida para separar el agua en sus dos
componentes mediante electrólisis es superior a la energía desprendida por la
recombinación de hidrógeno y oxígeno. Esto hace que el agua, en contra de lo
que sostienen algunos rumores,16 no sea una fuente de energía eficaz.17
• Los
elementos que tienen mayor electropositividad que el hidrógeno —como el litio,
el sodio, el calcio, el potasio y el cesio— desplazan el hidrógeno del agua,
formando hidróxidos. Dada su naturaleza de gas inflamable, el hidrógeno
liberado es peligroso y la reacción del agua combinada con los más
electropositivos de estos elementos es una violenta explosión.
Actualmente se sigue investigando sobre la naturaleza de
este compuesto y sus propiedades, a veces traspasando los límites de la ciencia
convencional.18 En este sentido, el investigador John Emsley, divulgador
científico, dijo en cierta ocasión del agua que "(Es) una de las
sustancias químicas más investigadas, pero sigue siendo la menos
entendida".19
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