La molécula de agua

Una célula es un sistema complejo y, como tal, debe ser esencialmente líquida: un gas no permite la formación de una estructura estable, y en un sólido las moléculas carecen de la movilidad necesaria para que puedan reaccionar entre sí y originar los procesos metabólicos. Al mismo tiempo, ese líquido ha de poderse conseguir fácilmente.

Un sistema complejo debe estar a mitad de camino entre el orden absoluto (representado por el cristal de un sólido) y el máximo desorden (un gas) (fuente ASH).

¿Qué sustancia es, además de abundante, líquida en las condiciones físicas de la Tierra? La pregunta es claramente retórica, pero podemos razonar la respuesta ignorando de momento lo que sabemos sobre los organismos terrestres.

Empecemos por la abundancia, representada en la gráfica más abajo. De los seis elementos más frecuentes, dos de ellos, helio (He) y neón (Ne), tienen un punto de ebullición tan bajo que, en condiciones razonables para la presencia de vida, no podrían formar líquidos. Los restantes (H, O, C y N) son no metales, por lo que pueden combinarse entre sí mediante enlaces covalentes^(*). Los puntos de fusión y de ebullición de sus combinaciones son en general demasiado bajos, aunque tienden a aumentar con la masa molecular.

Abundancia relativa de los principales elementos del Universo, expresada como número de átomos por cada diez millones de átomos de hidrógeno a escala logarítmica (fuente: ASH).

Pero, como muestra la ilustración siguiente, dos de tales compuestos poseen puntos de fusión y de ebullición muy por encima de lo que cabría esperar según su masa molecular: el agua (H2O) y el amoniaco (NH3):

Intervalos de temperatura en los que se hallan en estado líquido algunas sustancias sencillas que resultan de la combinación de los elementos más abundantes. La línea a trazos marca la tendencia del punto de ebullición a aumentar en relación con la masa molecular (fuente: ASH).

¿Por qué estas sustancias son aún líquidas a tan “elevadas” temperaturas? Justifiquémoslo por etapas:

• El oxígeno y el nitrógeno forman enlaces orientados hacia los vértices de un tetraedro. Por ello, la estructura de la molécula de agua es angular (en forma de “V”), y la del amoniaco piramidal:
  
  
  Los electrones de valencia del carbono, nitrógeno u oxígeno suelen localizarse en cuatro “nubes” de carga dirigidas hacia los vértices de un tetraedro. Las “nubes” que no contengan más que un electrón podrán compartirlo con otro átomo (como el hidrógeno) y formar un enlace sencillo (fuente: ASH).
• Al tener el oxígeno seis electrones de valencia y cinco el nitrógeno, ambos átomos poseerán pares de electrones que no podrán participar en enlaces covalentes. Estos pares de electrones sin compartir se concentran en volúmenes reducidos que tendrán, pues, una elevada densidad de carga negativa (representada por el símbolo δ¯ en la ilustración anterior). Además, el núcleo de un átomo de oxígeno o de nitrógeno —con ocho y siete cargas positivas, respectivamente— atrae con fuerza a los electrones que comparte con los átomos de hidrógeno —cuyo núcleo solo tiene una carga positiva—, por lo que dichos electrones se alejarán de los átomos de hidrógeno y alrededor de éstos habrá un déficit electrónico (δ⁺). Al localizarse las “cargas parciales” δ¯ y δ⁺ en distintas zonas de la molécula, ésta se comportará como un dipolo, esto es, una estructura con cargas eléctricas separadas.
• Si dos moléculas se acercan, la carga parcial δ⁺ situada en el hidrógeno de una de ellas puede atraer a un par de electrones no compartidos (δ¯) de la otra. El hidrógeno se unirá entonces a dos átomos (covalentemente al de “su” molécula, y por atracción eléctrica al de la vecina), formando un “puente” entre ellos llamado enlace de hidrógeno:
  
  
  Una molécula de agua puede establecer, con sus vecinas, hasta cuatro enlaces de hidrógeno (líneas verdes). (Fuente: http://en.wikipedia. org/wiki).
• Los enlaces de hidrógeno, si bien más débiles que los covalentes, son tan numerosos que las moléculas de H₂O o de NH₃ estarán muy cohesionadas y se separarán con dificultad de la superficie del líquido. Es decir, habrá pocas moléculas de gas en equilibrio con el líquido y, en consecuencia, la presión de vapor —la presión ejercida por las moléculas de gas— será reducida. Ahora bien, para que comience la ebullición es necesario que la presión de vapor iguale a la presión exterior (1 atm), lo cual implica romper enlaces de hidrógeno y “liberar” muchas moléculas a la fase gaseosa. Esto solo se consigue si se aumenta la agitación térmica de las moléculas, es decir, si se eleva de forma considerable la temperatura: a 100 °C para el agua y a –33,49 °C para el amoniaco.

A continuación veremos qué propiedades de interés biológico derivan de estas características de la molécula de agua.