¿Cómo estan conformadas
químicamente las moléculas de agua?
Una molécula es una estructura que describe la composición de una
sustancia.
Las sustancias estan formadas por millones de moléculas, las
cuales estan compuestas por atomos. Por ejemplo:
Agua = millones de moléculas H2O = 2 atomos de hidrógeno
(H) y 1 atomo de oxígeno (O)
En química, una molécula es una partícula formada por un
conjunto de atomos ligados por enlaces covalentes o metalicos (en
el caso del enlace iónico no se consideran moléculas, sino redes
cristalinas), de forma que permanecen unidos el tiempo suficiente como para
completar un número considerable de vibraciones moleculares. Constituye
la mínima cantidad de una sustancia que mantiene todas sus propiedades
químicas. Las moléculas labiles pueden perder su
consistencia en tiempos relativamente cortos, pero si el tiempo de vida medio
es del orden de unas pocas vibraciones, estamos ante un estado de
transición que no se puede considerar molécula. Hay
moléculas de un mismo elemento, como O2, O3, N2, P4, pero la
mayoría de ellas son uniones entre diferentes elementos.
Se habla de “moléculas monoatómicas', pese a lo
contradictorio de la expresión, al referirse a los gases nobles y a
otros elementos en los casos en que se hallan en forma de atomos
discretos.
Las moléculas pueden ser neutras o tener carga eléctrica; si la
tienen pueden denominarse ion-molécula oion poliatómico
¿Qué es un enlace de hidrogeno?
Los enlaces de hidrógeno, también conocidos como, enlaces
por puente de hidrógeno es una atracción que existe entre un
atomo de hidrógeno (carga positiva) con un atomo de O , N
o X (halógeno) que posee un par de electrones libres (carga negativa).
Por ejemplo el agua, es una de las substancias que presenta este tipo de
enlaces entre sus moléculas. Una molécula de agua se forma entre
un atomo de Oxigeno con seis electrones de valencia (sólo
comparte dos y le quedan dos pares de electrones libres) y dos hidrógenos
con un electrón de valencia cada uno (ambos le ceden su único
electrón al oxígeno para que complete el octeto).
La molécula de agua es una molécula polar, por lo
que presenta cuatro cargas parciales, de esta manera la fracción
positiva (un hidrógeno) genera una atracción con la fracción
negativa de otra molécula (el par de electrones libres del
oxígeno de otra molécula de agua). Teóricamente una
molécula de agua tiene la capacidad de formar 4 puentes de
Hidrógeno
El enlace puente de hidrógeno es 20 veces mas débil o de
menor contenido energético que un enlace normal. Pareciera ser de poca
importancia, pero debido a la gran cantidad de moléculas y gran cantidad
de enlaces de este tipo que puede contener una sustancia, el enlace puente de
hidrógeno tiene una especial importancia.
Si se compara al H2O, con el H2S deberían de ser substanciasmuy
parecidas ya que el oxígeno y el azufre pertenecen al mismo grupo (VIA),
tienen propiedades parecidas, la diferencia es que el oxígeno es
mas electronegativo. El agua es una molécula polar y puede formar
puentes de hidrógeno, mientras que el acido sulfhídrico
(H2S) es no polar y no tiene dicha capacidad.
Los puentes de hidrógeno que existe entre las moléculas
de H2O , explican el incremento del pF, pEb, densidad, viscosidad,
capacidad caloríca, etc. (ya que las moléculas se encuentran
unidas entre sí), a diferencia H2S , cuyas
moléculas no cuentan con la atracción puente de
hidrógeno y por lo tanto a temperatura ambiente es un gas.
¿Qué es un solvente?
Una sustancia solvente es aquella que puede disolver. La mezcla
homogénea entre un solvente y un soluto se conoce como solución.
En las soluciones por lo tanto, el solvente o disolvente aparece
en mayor cantidad y permite que el soluto se disuelva. En otras
palabras, el solvente permite la dispersión del soluto en su seno. Los
mas usuales que el solvente polares y solventes apolares, de
acuerdo a su composición molecular
Es el medio dispersante de la disolución. Normalmente, el disolvente
establece el estado físico de la disolución, por lo que se dice
que el disolvente es el componente de una disolución que esta en
el mismo estado físico que la disolución. También es el
componente de la mezcla que se encuentra en mayor proporción.
Lasmoléculas de disolvente ejercen su acción al interaccionar con
las de soluto y rodearlas. Se conoce como solvatación. Solutos polares
seran disueltos por disolventes polares al establecerse interacciones
electrostaticas entre los dipolos. Los solutos apolares disuelven las
sustancias apolares por interacciones entre dipolos inducidos.
¿Qué es hidrofobicidad?
La fuerte inclinación de las moléculas de agua a formar enlaces
de hidrógeno con otras moléculas, determina su comportamiento
frente a moléculas no polares, incapaces de formar enlaces de
hidrógeno, tales como alcanos, hidrocarburos en general, fluorcarburos,
atomos inertes. Cuando las moléculas de agua entran en contacto
con este tipo de moléculas se encuentran con un aparente dilema:
cualquiera que sea el sitio al que la molécula de agua enfoque, parece
que una o mas de las cuatro cargas moleculares tiene que apuntar hacia
la molécula inerte de soluto y por tanto pierde capacidad de formar
enlaces de hidrógeno. Claramente la mejor configuración
sería la de tener el menor número de cargas tetraédricas
apuntando hacia la especie de soluto, de modo que las otras cargas pudieran
apuntar hacia la fase acuosa siendo por tanto capaces de participar en enlaces
de hidrógeno, tanto como antes.
Hay varias disposiciones estructurales que el agua puede adoptar para salvar
los enlaces de hidrógeno perdidos. Si la molécula de soluto no es
demasiadogrande, es posible para las moléculas de agua empaquetarse
alrededor de ella sin perder ninguno de sus sitios de enlace de
hidrógeno formando asociaciones tridimensionales como la que se muestra
en la figura de mas abajo. Si las moléculas son mayores, los
clusters formados pueden adaptarse a la forma y tamaño de la
molécula de soluto.
Formación de clusters entre las moléculas de agua, con
coordinación tetraédrica y alojamiento de una molécula no
formadora de enlaces de hidrógeno en su seno.
Por tanto, el dilema anteriormente mencionado, tiene muchas veces una
solución facil, gracias a la posibilidad de unión de las
moléculas de agua tetraédricamente coordinadas alrededor de casi
cualquier molécula inerte, cualquiera que sea su tamaño o forma.
Del dibujo de la figura también se deduce que el agua que esta
alrededor de la molécula de soluto inerte tiene una mayor
coordinación (cuatro) que las moléculas de agua en el
líquido puro (3'0-3'5 en promedio) y por tanto que esta
disposición de clusters esta incluso favorecido desde el punto de
vista energético. A este fenómeno se le conoce con el nombre
de solvatación hidrófoba o hidratación
hidrófoba. Es conocido que a grandes presiones los hidrocarburos y
los atomos inertes pueden disolverse en agua. Los calores de
hidratación (solvatación hidrófoba) medidos para estos
compuestos pueden verse en la siguiente tabla (Datos del libro de Cantor and
Schimel)
Es interesante observar que, para los diferentes
hidrocarburos, la energía libre de transferencia es aproximadamente
proporcional a area superficial de las moléculas, lo que es un
claro indicativo de que el número de moléculas de agua
reorientadas esta mas o menos determinada por las areas en
las que no hay enlaces de hidrógeno. Así para el metano cuyo
radio de Van der Waals a=s/2 = 0'2 nm, el area superficial por
molécula vale 4pa2 » 0'50 nm2 y la
energía libre de transferencia (DG = 13'8 kJ/mol) por unida de
area superficial vale alrededor de 46 mJ/m2. Similarmente, para una
molécula de n-butano cilíndrica, cuya superficie viene dado por
4pa2 + 2pa (3x0'1275) » 1'0 nm 2 y
teniendo en cuenta el valor de la energía de Gibbs para este compuesto,
se deduce una energía por unidad de area de 41 mJ/m 2. Estos
valores son muy similares al valor de la energía libre interfacial
(g i) de la interfacies hidrocarburo-agua que generalmente tiene
valores entre 40 y 50 mJ/m 2.
La inmiscibilidad de sustancias inertes con agua y la naturaleza
fundamentalmente entrópica de estaincompatibilidad se conoce como
el efecto hidrófoboy a estas sustancias, sustancias
hidrófobas. Directamente relacionado con el efecto hidrófobo
esta la interacción hidrófoba que describe
las inusualmente fuertes interacciones entre estas moléculas cuando
estan en un entorno acuoso. Por ejemplo, las interacciones de van der Waals
entre dos moléculas de metano en contacto en el espacio libre es -2'5.
10 -21 J, mientras que en agua es - 14. 10-21 J. De manera
similar, las tensiones superficiales de la mayoría de los hidrocarburos
cae entre 15-30 mJ/m2, mientras que sus tensiones interfaciales con agua
estan en el rango de 40-50 mJ/m2.
Debido a su fortaleza se creyó originariamente que el responsable de
esta interacción era algún tipo de 'enlace
hidrófobo. Pero debe quedar claro que no hay enlace asociado con este
fenómeno, el cual tiene causas fundamentalmente entrópicas
que proceden principalmente de la reordenación de la
configuración de los enlaces de hidrógeno en las regiones
solapantes de solvatación de dos especies hidrófobas cuando
estan próximas y por tanto de mucho mas largo alcance que
cualquier enlace típico.
Las figuras siguientes ilustran el hecho de la formación de
interacciones hidrófobas teniendo en cuenta el balance del coste
entrópico que supone mantener el sistema (a) en lugar del (b).
Verdaderamente en la situació (b) se forman menos enlaces de
hidrógeno que en la (a), pero esteinconveniente energético se
compensa con un aumento de las interacciones de van der Waals entre los solutos
y sobre todo con el balance favorable entrópico que supone adquirir
aquella distribución molecular.
(a)
¿En cuanto se puede estimar el valor de la interacción
hidrófoba? Hay pocas medidas directas de las interacciones
hidrófobas entre moléculas no polares disueltas, principalmente
porque son insolubles en condiciones moderadas de presión y temperatura.
Tucker y colaboradores han dado valores entre -8'4 y -11'3 kJ/mol para las
energías de dimerización benceno-benceno y
ciclohexano-ciclohexanol respectivamente y Ben Naim y colaboradores dedujeron
un valor de aproximadamente -8'6 kJ/mol para dos moléculas de metano.
Teóricamente el problema no es facil de abordar, debido a que la
interacción hidrófoba entre dos moléculas es muy compleja,
implica a muchas otras moléculas y es de mayor alcance que cualquiera de
los potenciales entre pares de moléculas sencillos estudiados hasta
ahora. Israekachvili y Pashley en 1982 midieron la fuerza hidrófoba
entre dos superficies hidrófobas macroscópicamente curvadas en
agua y encontraron que en el rango de 0 -10 nm las fuerzas caían
exponencialmente con la distancia. Basandose en estos experimentos,
estos autores propusieron para las pequeñas moléculas de soluto
que la energía libre de dimerización hidrófoba aumenta
proporcionalmente con su diametro de laforma:
DG (potencial del par hidrófobo) »-20 s kJ/mol
Donde s esta en nanómetros. Por ejemplo para el ciclo
hexano (s = 0'57 nm) esta energía
es DG » -11'4 kJ/mol en concordancia con el valor medido.
Las interacciones hidrófobas juegan un papel central en muchos
fenómenos de superficie y de auto asociación molecular, en la
formación de micelas, en la estructura de las membranas
biológicas, en la determinación de las conformaciones de las
proteínas, en los efectos de stacking entre los anillos
aromaticos de las bases pericas y pirimidínicas que forman las cadenas
de acidos nucleicos, etc.Existen diversas escalas para medir la
hidrofobicidad de los grupos químicos. Una de ellas utiliza
el parametro de hidrofobicidad p. Para un grupo químico
R, p viene definido por la expresión:
p = log (S/So)
En donde S es la relación de solubilidad molar de A-R en octanol y agua
y So es la relación de solubilidad molar de A-H en octanol y agua. En
esta escala los valores positivos de p indican grupos
hidrófobos y los valores negativos indican grupos hidrófilos.
Aunque el coeficiente hidrófobo total no es igual, en la mayoría
de los casos, a la suma de los coeficientes de los diferentes grupos, en el
caso de algunos compuestos como los hidrocarburos, en donde existe una gran
similitud estructural de los diferentes grupos, sí que se da esa
aditividad como se puede apreciar en los datos de la tabla siguiente.
