Por qué el agua rompe las reglas de la química

Al borde de un lago helado en pleno invierno, el agua oscura se mueve lentamente bajo una lámina de hielo pálido. Casi todo en esa escena es, hablando en términos químicos, incorrecto. Según la lógica ordinaria que gobierna las moléculas pequeñas, la forma sólida de una sustancia debería hundirse en su propio líquido, igual que una vela de cera se hunde en la cera derretida. El hielo debería formarse en el fondo, el lago debería congelarse por completo desde abajo, y los peces que están debajo no tendrían adónde ir. En cambio, el hielo flota, aísla el agua que tiene debajo, y el lago se mantiene líquido donde importa.

En 1939, el químico Linus Pauling publicó The Nature of the Chemical Bond, uno de los libros de ciencia más influyentes del siglo veinte. En él sostenía que una sola interacción, modesta, entre las moléculas de agua, el enlace de hidrógeno, era la clave de casi todas las propiedades especiales del agua, y esa afirmación resultó ser notablemente duradera. La pregunta que responde este artículo es sencilla y tiene una respuesta profunda: ¿por qué la sustancia más familiar de la Tierra se comporta de forma tan distinta a casi cualquier otra molécula pequeña que conocemos?

Una molécula con una curvatura

Empecemos por la forma, porque la forma es donde todo comienza. Una molécula de agua es un único átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno, pero no está dispuesta en línea recta. El átomo de oxígeno lleva dos pares de electrones que participan en el enlace con el hidrógeno y dos llamados pares solitarios que pertenecen solo al oxígeno. Estos cuatro pares de electrones se repelen entre sí, y como los pares solitarios empujan con más fuerza que los pares enlazantes, aprietan los dos enlaces oxígeno-hidrógeno acercándolos. El resultado es un ángulo de unos 104,5 grados entre los dos enlaces, una curvatura suave pero de gran importancia.

Esa curvatura no es un detalle cosmético. El oxígeno atrae los electrones hacia sí con mucha más fuerza que el hidrógeno, así que cada enlace oxígeno-hidrógeno queda desequilibrado, con una pequeña carga negativa sobre el oxígeno y pequeñas cargas positivas sobre los hidrógenos. En una hipotética molécula de agua recta y lineal, esos dos enlaces desequilibrados apuntarían en direcciones exactamente opuestas y sus tirones se cancelarían, dejando la molécula eléctricamente equilibrada. La curvatura arruina esa simetría. Los dos enlaces ahora apuntan en parte hacia el mismo lado, sus tirones se suman en lugar de cancelarse, y la molécula termina con una separación permanente de carga, una propiedad que los químicos llaman momento dipolar. En el agua ese momento dipolar es de unos 1,85 debye, lo cual es grande para una molécula tan pequeña. Una forma curvada, entonces, es lo que hace que el agua sea polar, y la polaridad es lo que hace que el agua sea interesante.

El enlace que hace el trabajo pesado

Una molécula polar con un extremo positivo y un extremo negativo se alineará de forma natural frente a sus vecinas, positivo contra negativo, pero en el agua esta alineación se convierte en algo más específico y más poderoso. El hidrógeno ligeramente positivo de una molécula es atraído hacia los electrones del par solitario del oxígeno de una molécula vecina, formando un vínculo débil pero direccional conocido como enlace de hidrógeno.

Lo que hace especial al agua entre las moléculas polares es la contabilidad. Cada molécula de agua tiene dos hidrógenos que puede ofrecer a sus vecinas, así que puede donar dos enlaces de hidrógeno, y tiene dos pares solitarios en su oxígeno, así que puede aceptar dos más. Dos donantes y dos aceptores le dan a cada molécula la capacidad de unirse a hasta cuatro vecinas a la vez, dispuestas a su alrededor en un patrón aproximadamente tetraédrico, como los vértices de una pirámide triangular. Ninguna otra molécula pequeña común tiene este equilibrio exacto de donantes y aceptores, y esa conectividad cuádruple es el secreto arquitectónico que está detrás del comportamiento del agua.

Individualmente, cada enlace de hidrógeno es endeble. Tiene una energía de enlace de unos 20 kilojulios por mol, comparada con los unos 460 kilojulios por mol del enlace covalente oxígeno-hidrógeno que mantiene unida una molécula de agua en primer lugar, más de veinte veces más fuerte. Pero hay una cantidad enorme de enlaces de hidrógeno, y actuando juntos dominan el comportamiento del agua líquida en su conjunto. La lección aquí es que la química suele ser una historia no de enlaces fuertes, sino de muchos débiles actuando en conjunto.

Cuatro anomalías con el mismo disfraz

El agua es famosa por un puñado de propiedades que, tomadas de una en una, parecen rarezas separadas. Si se miran de cerca, se reducen a una sola causa. Cada una es una huella de la misma red de enlaces de hidrógeno, la misma propiedad vista desde cuatro ángulos diferentes.

La primera es su alto punto de ebullición. Para hacer hervir un líquido hay que separar sus moléculas para convertirlas en gas, y en el agua eso significa romper la malla de enlaces de hidrógeno que las teje entre sí. Esa malla es lo bastante resistente como para que el agua siga siendo líquida hasta los 100 grados Celsius, mucho más de lo que su pequeño tamaño predeciría. La segunda es su alta capacidad calorífica. Hacen falta 4,18 julios para elevar la temperatura de un gramo de agua un solo grado, una cantidad sorprendentemente grande, porque buena parte de la energía que se añade se invierte en aflojar enlaces de hidrógeno en vez de simplemente acelerar las moléculas. Por eso las costas tienen un clima más suave que los desiertos y por eso tu cuerpo puede mantener una temperatura estable; el agua se resiste a cambiar de temperatura.

La tercera anomalía es la del lago helado. Cuando el agua se congela, las moléculas se fijan en una red abierta y regular en la que cada una mantiene a distancia a sus cuatro vecinas unidas por enlaces de hidrógeno. Esa disposición ordenada es en realidad más espaciosa que la multitud apretujada del agua líquida, así que el hielo es alrededor de un nueve por ciento menos denso que el líquido del que proviene, y flota. La cuarta es la alta tensión superficial. En la superficie de una masa de agua, las moléculas son atraídas hacia dentro y hacia los lados por sus vecinas unidas por enlaces de hidrógeno, pero no tienen nada arriba que las atraiga hacia arriba, así que la superficie se comporta como una piel elástica tensa, con una fuerza de unos 72 milinewtons por metro, suficiente para dejar que algunos insectos caminen sobre un estanque. Cuatro propiedades, una red.

La historia de dos moléculas

La forma más limpia de ver cuánto hace el enlace de hidrógeno es encontrar una molécula casi idéntica al agua en todos los aspectos salvo en este, y compararlas. El metano, el principal componente del gas natural, es un buen candidato. Su fórmula es CH4 y su masa molar es de unos 16 gramos por mol, casi igual que los 18 gramos por mol del agua.

Ahí termina el parecido. El metano es una molécula ordenada y simétrica sin separación de carga relevante; es apolar, y sus moléculas se aferran unas a otras solo a través de las atracciones débiles y fugaces conocidas como fuerzas de dispersión. El agua es polar y está entretejida de enlaces de hidrógeno. La consecuencia es drástica. El metano hierve a unos 161 grados Celsius bajo cero, así que a temperatura ambiente es un gas y lo ha sido desde mucho antes del punto en el que el agua es hielo sólido, mientras que el agua hierve a 100 grados Celsius. La diferencia entre sus puntos de ebullición es de unos 261 grados Celsius, una diferencia enorme entre dos moléculas de masa casi igual, y es, casi en su totalidad, el enlace de hidrógeno hecho visible.

Por qué el agua disuelve el mundo

Al agua se la llama a veces el disolvente universal, y aunque ningún disolvente disuelve realmente todo, el apodo apunta a algo real. La misma polaridad que impulsa el enlace de hidrógeno permite que el agua rodee y desmenuce muchas otras sustancias. Cuando una sal como el cloruro de sodio se encuentra con el agua, los extremos de oxígeno de la molécula, que llevan carga parcial negativa, se agrupan alrededor de los iones de sodio cargados positivamente, mientras que los hidrógenos parcialmente positivos se apiñan alrededor de los iones de cloruro cargados negativamente. El cristal es desmontado con suavidad, ion a ion, cada uno acunado en una envoltura de moléculas de agua orientadas, y las moléculas polares y los iones cargados se disuelven en agua por esta razón.

Igual de revelador es lo que el agua se niega a disolver. Los aceites, las grasas y las largas colas de hidrocarburo de las moléculas que construyen las membranas celulares son apolares, y no ofrecen nada a lo que los dipolos del agua puedan agarrarse. Quedan excluidos del agua y son arrinconados juntos, lo cual no es un fracaso de la química, sino el fundamento de la biología. Las moléculas que componen una membrana celular, los fosfolípidos, tienen una cabeza amante del agua y unas colas que le temen al agua, y cuando se colocan en agua se organizan espontáneamente en una doble capa con las colas guardadas a salvo en el interior, lejos del agua, y las cabezas mirando hacia fuera. Una membrana es, en el fondo, una estructura construida por el rechazo del agua.

El disolvente de la vida, y su punto neutro

Alrededor del 60 por ciento de la masa corporal de un ser humano adulto es agua, una fracción que es más alta en el tejido muscular magro y más alta todavía en los bebés. Somos, en peso, en su mayor parte una solución, y esto no es accesorio para nuestro funcionamiento, sino la condición previa para él. La catálisis enzimática, el transporte de iones a través de las membranas, el plegamiento de las proteínas hasta adoptar sus formas funcionales, el ensamblaje de las propias membranas, y la señalización química que coordina una célula, todo ello ocurre en el agua o a su alrededor. La química acuosa es el medio en el que se desarrollan las reacciones de la vida, y las propiedades del agua fijan las reglas que esas reacciones siguen.

El agua también tiene una química propia y silenciosa. De vez en cuando, dos moléculas de agua intercambian un protón, de modo que una se convierte en un ion hidronio (H3O+) y la otra en un ion hidroxilo (OH-), un proceso llamado autoionización. A 25 grados Celsius esto sucede en una medida diminuta y fija: las concentraciones de iones de hidrógeno y de hidroxilo se sitúan cada una en una diezmillonésima de mol por litro, lo que corresponde a un pH de exactamente 7,00. Esa es la definición de neutralidad química, y es la razón por la que el agua pura es la referencia contra la que se mide todo ácido y toda base. Cuando llamamos a una solución ácida o básica, estamos midiendo cuánto se ha alejado del equilibrio que el agua pura mantiene consigo misma.

Picosegundos, no permanencia

Resulta tentador imaginar la red de enlaces de hidrógeno del agua como un andamiaje fijo, una arquitectura semejante a un cristal que mantiene todo en su sitio, y buena parte de la pseudociencia se apoya precisamente en esa imagen. La realidad es a la vez más fluida y más interesante. En el agua líquida la red es una malla estadística dinámica, que se rasga y se vuelve a tejer constantemente. Un enlace de hidrógeno individual dura solo alrededor de un picosegundo, una billonésima de segundo, antes de romperse y de que se forme uno nuevo con una vecina distinta. La conectividad es constante, pero ninguna disposición concreta perdura.

Esto importa porque es donde la ciencia se separa del marketing. Las afirmaciones de que el agua puede conservar una memoria de las sustancias que alguna vez se disolvieron en ella, o de que forma agrupaciones estables y duraderas con propiedades especiales, no sobreviven a las pruebas controladas. No hay andamiaje que recuerde nada; los enlaces que tendrían que almacenar la información desaparecen y se rehacen miles de billones de veces por segundo. La maravilla genuina del agua no necesita adornos, ya que sus anomalías son extraordinarias precisamente porque surgen de una red que siempre se está deshaciendo y siempre se está reconstruyendo.

Ideas clave

El agua es una molécula curvada, con sus dos enlaces oxígeno-hidrógeno dispuestos a unos 104,5 grados por la repulsión entre pares de electrones, y esa curvatura le da un dipolo permanente de unos 1,85 debye en lugar del equilibrio eléctrico que tendría una molécula recta; la polaridad resultante permite que cada molécula forme enlaces de hidrógeno, donando dos a través de sus hidrógenos y aceptando dos a través de los pares solitarios de su oxígeno, hasta sumar cuatro vecinas dispuestas de forma tetraédrica. Cada uno de esos enlaces es débil, de unos 20 kilojulios por mol frente a los 460 del enlace covalente O-H, pero en conjunto gobiernan el comportamiento del agua, produciendo bajo cuatro apariencias el mismo efecto: un alto punto de ebullición de 100 grados Celsius, un alto calor específico de 4,18 julios por gramo por kelvin, un hielo que es alrededor de un nueve por ciento menos denso que el líquido y por tanto flota, y una alta tensión superficial cercana a los 72 milinewtons por metro. El contraste con el metano, de masa casi igual pero sin enlace de hidrógeno y con un punto de ebullición unos 261 grados más bajo, muestra cuánto logra ese único enlace. La misma polaridad hace que el agua disuelva iones y moléculas polares mientras excluye aceites y grasas, que es lo que permite que las membranas celulares se ensamblen y que ese aproximadamente 60 por ciento de nuestra masa corporal que es agua sirva como disolvente de la vida; el agua pura, que se autoioniza hasta un pH neutro de 7,00 a 25 grados Celsius, es la referencia contra la que se juzgan todos los ácidos y todas las bases. Sin embargo, esta red no es un cristal permanente, sino una malla que se rompe y se rehace en una escala de tiempo de alrededor de un picosegundo, que es la razón por la que las ideas populares sobre la memoria del agua se disuelven al examinarlas mientras las anomalías reales del agua perduran.