Vicerrectoría Académica
Dirección Nacional de innovación Académica
La importancia del agua en los seres vivos resulta de sus propiedades físicas y químicas exclusivas. El agua tiene la mayor cantidad de propiedades anómalas entre las sustancias comunes que la capacitan para actuar como solvente y para el transporte fácil a través del cuerpo de la planta. Esas propiedades primariamente se derivan de la estructura polar de la molécula de agua
Examinar los puentes de H y la forma como ellos contribuyen a las propiedades del agua que son esenciales para la vida.
La importancia del agua para los organismos vivientes, se debe a sus propiedades exclusivas. Su función en los organismos vivos es fundamental y sería imposible imaginarnos la vida sin ella. Las propiedades especiales del agua la capacitan para actuar como solvente y para un transporte rápido a través del cuerpo de la planta. Esas propiedades primariamente derivan de la estructura dipolar de la molécula de agua.
La molécula de agua se compone de un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno. Los átomos unidos ejercen una atracción diferente sobre los electrones que participan en el enlace, esto implica un reparto desigual de los electrones propiedad conocida como electronegatividad.
En la molécula de agua,
el átomo de oxígeno que tiene una electronegatividad
de 3.5 atrae los electrones del enlace más que los átomos
de hidrógeno, cuya electronegatividad es de 2.1; esta atracción
resulta en una carga parcial negativa en el extremo del O de la
molécula y en una carga parcial positiva en cada H. Esas
cargas parciales son iguales, de manera que la molécula de
agua no lleva carga neta. No obstante la separación parcial
de cargas, junto con la forma de la molécula, hacen del agua
una molécula polar y las cargas parciales opuestas entre
moléculas de agua vecinas tienden a traer a la otra. La débil
atracción electrostática entre moléculas de
agua se conoce como puente de hidrógeno y es el responsable
de muchas propiedades físicas especiales del agua. Se forma
un ángulo de 105º (Fig. 3-3). Debido a que el átomo
de O es más electronegativo que el de H.
Los puentes de H también se pueden formar entre agua y otras
moléculas que contienen átomos electronegativos (O
ó N). La estructura de proteínas, polisacáridos,
ácidos nucleícos y otras moléculas en la célula
están fuertemente influenciados por los puentes de H; estos
son responsables del apareamiento estable de las líneas complementarias
de DNA. En soluciones acuosas, los puentes de H entre moléculas
de agua, conducen a racimos de agua localmente ordenados, que debido
a la agitación térmica de las moléculas de
agua, continuamente se forman, se rompen y se re-forman (fig. 3-4)
Fig. 2-5.- Diagrama de la molécula de agua. Hidrógeno.
Los dos enlaces intramoleculares H-O forman un ángulo de
105º. Las cargas parciales opuestas (d- y d+) sobre la molécula
de agua resulta en la formación de enlaces intramoleculares
de H con otras moléculas de agua (Fig. 3-3 Tomado de Taiz
y Zeiger, 1998)
Fig. 2-6.- Los puentes de H entre moléculas de agua resultan
en agregaciones locales y ordenadas de agua casi cristalina (A):
Debido a la continua agitación térmica de las moléculas,
esas agregaciones son de muy corta vida, se rompen rapidamente para
formar configuraciones más aleatorias. Fig. 3-4 Tomado de
Taiz y Zeiger, 1998)
a.- El agua es un excelente solvente;
con relación a otros solventes, disuelve una amplia variedad
de sustancias, su versatilidad se debe al tamaño de la molécula
y a su naturaleza polar, que la convierten en un solvente bueno
para sustancias iónicas y para moléculas como azúcares
y proteínas que contienen residuos polares -OH y NH2.
Las moléculas de agua se orientan alrededor de iones y solutos polares en solución y protegen efectivamente sus cargas eléctricas, protección que disminuye la interacción electrostática entre las sustancias cargadas y por consiguiente incrementa su solubilidad. Además los extremos polares de la molécula de agua pueden orientarse próximos a grupos de las macromoléculas cargados o parcialmente cargados formando envolturas de hidratación. Los puentes de H entre macromoléculas y agua reducen la interacción entre macromoléculas y ayuda a recuperarlas en solución.
Fig. 2-7.- Las sustancias sólidas son hidratadas por moléculas de agua. Los átomos de oxígeno de las moléculas de agua se orientan hacia los cationes y los átomos de hidrógeno hacia los aniones. Con el avance del proceso de solución, los iones individuales son separados de la superficie sólida y llegan a ser especies hidratadas en solución (De Brown, et al., 1997 pag. 454 ó Fig. 5-8 de Holum, 1971).
Las propiedades térmicas, cohesivas y adhesivas del agua
resultan de los puentes de hidrógeno
Los puentes de H entre moléculas de agua resultan en propiedades
térmicas poco usuales como alto calor específico,
alto calor latente de vaporización.
Cuando un objeto expuesto al sol, absorbe calor, cambia su temperatura. El cambio de temperatura experimentado por un objeto que absorbe cierta cantidad de energía es su capacidad calorífica. es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado centígrado. Una caloría (cal) es la cantidad de calor que debe aplicarse a un gramo de agua para incrementar su temperatura en un grado centígrado. En el Sistema Internacional (SI) la unidad de energía es el joule (J). Una caloría es igual a 4181 J.
El calor específico del agua pura es uno de los más altos que se conocen. Cuando la temperatura del agua se aumenta las moléculas vibran más rápido, gran cantidad de E debe entrar al sistema para romper los puentes de H entre las moléculas de agua. Comparada con otros líquidos, El agua tiene el calor específico más alto con excepción del amonio (NH4+) que es 13 veces más alto, la molécula necesita una cantidad relativamente grande de E para aumentar su temperatura debido a que el arreglo molecular del agua permite la vibración de átomos de hidrógeno y oxigeno como sí se tratara de iones libres; así, absorbe gran cantidad de energía sin incrementar demasiado la temperatura.
El alto calor específico del agua cumple la función de mantener la temperatura constante de los organismos vivos La necesidad de entrada de E es importante para las plantas porque ayuda a disminuir el daño potencial por fluctuación de la temperatura. En consecuencia, las plantas, compuestas por agua en alto porcentaje pueden estabilizar relativamente bien la temperatura aunque pierdan o ganen calor. Esta propiedad también se manifiesta en tierras cercanas a grandes cuerpos de agua donde la evaporación tiene efecto refrescante y la condensación efecto de calentamiento.
Fig. 2-8.- El calor específico indica la cantidad de calor que debe adicionarse a 1 g de una sustancia para elevar su temperatura en 1 K (ó 1 °C). El calor específico puede variar ligeramente con la temperatura, así para medidas precisas debe especificarse la temperatura. Por ejemplo el calor específico del agua (l), a 14.5 °C es 4.184 J / g K; la adición de 4.184 J de calor elevan la temperatura a 15.5 °C. Esta cantidad de energía define la caloría (Una caloría = 4.184 J). (De Brown et al., 1997. Pg. 158
Cada cambio de fase se acompaña de un cambio de energía en el sistema. Un cambio de fase significa ir a un estado menos ordenado y debe aplicarse energía para superar las fuerzas intermoleculares. Por ejemplo se necesita energía para fundir el hielo, las fuerzas que mantienen las partículas en posición fija en el sólido deben superarse para pasar a líquido. La vaporización necesita energía, las fuerzas de atracción que sostienen las partículas cercanas entre sí en el líquido deben superarse para pasar a la forma gaseosa, la sublimación también necesita energía. En la medida en que aumentan las fuerzas intemoleculares la cantidad de energía necesaria para generar un cambio de fase también incrementa.
Fig.- 2-9.- Cambios de energía que acompañan los cambios de fase entre los tres estados de la materia y los nombres asociados con ellos. (De Brown et al., 1997. pg 395)
En el hielo las moléculas de agua, forman una estructura tetraédrica, los tetraedros se arreglan dando al cristal de hielo forma hexagonal. Durante su fusión se derrumba el cristal. Las moléculas están empacadas más eficientemente en el líquido que en el sólido; al congelarse el volumen se expande en un 10% por reordenamiento de las moléculas en tetraedros al congelarse. El calor de fusión del hielo es 6.1 kJ mol-1. El hielo con menor densidad flota sobre el agua líquida, la máxima densidad del agua líquida se obtiene a 4oC. La expansión es potencial fuente de daño en los tejidos porque incrementa la presión causando la fusión del hielo a temperatura más baja que la normal. Para fundir 1 g de hielo a 00C deben suministrarse 335 Joules (80 cal), valor muy alto, causado por puentes de hidrógeno, aunque el hielo tiene menos por molécula que el agua líquida.
Los puentes de hidrógeno se presentan en el agua líquida, en el hielo y en la forma de vapor. La rigidez del hielo y la fluidez del agua, radican en la diferencia que existe en la proporción de puentes de hidrógeno entre las formas. Las características de la forma líquida, pueden explicarse por la elevada velocidad con que se forman y se rompen los puentes, la vida media de cada uno es 10-11 s.
Fig. 2-10.- A) puentes de hidrógeno entre dos moléculas de agua, las distancias que se muestran son las que se encuentran en el hielo. (B) Arreglo de las moléculas de agua en el hielo. Cada átomo de hidrógeno en una molécula de agua se orienta hacia un par de electrones no enlazado de una molécula de agua adyacente. Como resultado el hielo tiene un arreglo hexagonal abierto de moléculas de agua. (C ) La forma hexagonal es característica de los cristales de hielo (Tomado de Fig 11-10 de Brown et al., 1997).
Calor latente de vaporización es la energía necesaria
para separar moléculas adyacentes de la fase líquida
(superar su fuerza de atracción) de modo que pasen a la fase
gaseosa a temperatura constante, proceso que ocurre durante la transpiración.
Para el agua a 25º C el calor de vaporización es de
44 kJ mol-1 o 2452 J (586 cal) se necesitan para convertir 1 g de
agua a 200C en un g de vapor de agua a 200C, este valor es más
alto en el agua que en otros líquidos es causado por la tenacidad
de los puentes de hidrógeno y por la gran cantidad de E necesaria
para que una molécula de agua se libere de otras en el líquido.
La mayor parte de esa E se usa para romper los puentes de H entre
moléculas de agua.
La evaporación,
se acompaña de un efecto de enfriamiento, en la medida que
el agua se evapora remueve calor del cuerpo de donde se evapora.
El alto calor latente de vaporización del agua permite el
enfriamiento de las plantas por evaporación de agua desde
la superficie foliar las cuales son propensas a elevar el calor
por efecto de la radiación solar. La transpiración
es un importante componente en la regulación de la temperatura
de muchas plantas.
Calor de vaporización de algunos líquidos en sus puntos
de ebullición
Las moléculas de agua en la interfase aire-agua son atraídas más fuertemente por las moléculas de agua vecinas que por la fase gaseosa al otro lado de la superficie. La consecuencia de esta atracción desigual, la interfase aire-agua tiende a minimizar el área superficial. Efectivamente las moléculas de agua ejercen una fuerza en la interfase aire-agua. Esta fuerza influye la forma de la superficie y crea una presión en el resto del líquido. La condición de la interfase se conoce como tensión superficial que en la superficie evaporativa de las hojas genera las fuerzas físicas para empujar una corriente de agua a través de los sistemas vasculares de las plantas.
Cuando la superficie del agua está en contacto con aire o con aceites y grasas se comporta como sí estuviera recubierta por una membrana elástica, permitiendo que objetos más densos que ella pueden flotar. Bajo la superficie, las moléculas de agua se atraen entre sí en todas las direcciones, pero en la capa superficial o interfase agua-aire, la atracción solo se ejerce hacia moléculas colocadas lateralmente y abajo (Fig. 2-11) produciendo aglutinación de las superficiales que allí se atraen con mayor fuerza. La tensión superficial es muy importante en el funcionamiento de las plantas, por que bajo presión normal evita el paso de burbujas a través de poros minúsculos y perforaciones de la pared celular.
Fig. 2-11.- Distribución del agua sobre una superficie polar como el vidrio. (A) Las fuerzas de atracción entre el agua y el vidrio son ligeramente mayores que la de las moléculas de agua dentro de las gotitas. Por lo tanto las gotas tienden a extenderse (Las cargas que se indican en el vidrio son parciales). (B) Cuando se trata de cilindros graduados, la fuerza de atracción inicialmente no equilibrada, que se ejerce entre el agua y el vidrio, hace que la primera ascienda por el segundo hasta que las fuerzas se equilibran, debido a la altura adicional del agua. La superficie resultante se denomina menisco convexo (C ) Las gotitas de agua sobre una superficie engrasada se producen debido a las fuerzas desiguales que actúan sobre las moléculas de agua, en las superficies las atraen hacia el exterior como se indica (De Holum, 1971, Figs 5-6 y 5-7)
Adicionalmente los extensos puentes de H en el agua dan origen a una propiedad conocida como Cohesión ó atracción mutua entre moléculas iguales característica que confiere al agua una poderosa fuerza tensil que le permite ser tensionada sin romperse. En los elementos del xilema que se comportan como capilares esa fuerza tensil logra valores tan altos que puede empujar la columna de agua hasta la copa de los árboles sin romperse. Las fuerzas cohesivas internas de las moléculas causadas por alta polaridad de la molécula de agua permiten explicar que la tensión superficial sea mayor en el agua que en la mayoría de líquidos. Esta característica suministra fuerza para permitir el ascenso de la savia.
Una propiedad relacionada es la adhesión o atracción de agua hacia una fase sólida como una pared celular o una molécula de almidón; es la atracción entre moléculas diferentes como entre agua y pared celulr o entre agua y superficie del vidrio. Muchas sustancias polares como proteínas y polisacáridos se humedecen por que atraen agua formando puentes de hidrógeno;
Adhesión, cohesión y tensión superficial originan el fenómeno de capilaridad (movimiento de las moléculas de agua hacia arriba por una pequeña distancia por un tubo de vidrio capilar. El movimiento de ascenso de agua se debe a la atracción de agua hacia la periferia de la superficie polar de un tubo de vidrio limpio y a la tensión superficial del agua que tiende a minimizar el área superficial. Juntas adhesión y tensión superficial ejercen tensión sobre las moléculas de agua en y bajo la superficie causando que se muevan hacia arriba en el tubo hasta que la fuerza de adhesión sea balanceada por el peso de la columna de agua, En tubos más pequeños (delgados aumenta la capilaridad, la cual se calcula con la fórmula:
Tanto el aumento de la capilaridad
como el radio se expresan en m.
Para un vaso de xilema de 25 
m
de radio, la capilaridad eleva hasta 0.6 m. distancia muy pequeña
para tener significado en el transporte de agua hacia arriba de
los árboles altos. Sin embargo material fibroso como el de
las paredes celulares puede actuar como una mecha para extraer agua
por capilaridad desde el xilema vecino, esta acción asegura
que las superficies de la pared celular que están directamente
expuestas al aire como las del mesófilo foliar, permanezcan
húmedas. Debido a que los capilares de la pared celular tienen
un radio muy fino
, pueden generarse fuerzas físicas muy grandes justo bajo
la superficie evaporativa de la pared celular.
La cohesión da al agua una alta fuerza tensil: o capacidad para resistir una fuerza de succión. Normalmente no se piensa que los líquidos tengan fuerza tensil. Sin embargo esa propiedad debe existir para que una columna de agua pueda ser succionada o halada hacia arriba en un capilar sin que se rompa.
La fuerza
tensil del agua se puede demostrar colocándola en una jeringa
tapada (Fig. 2-12). Cuando se empuja el émbolo, el agua se
comprime y se genera una presión hidrostática positiva,
que puede medirse sen pascales (Pa) o convencioanlmente megapascales
(Mpa) (1 MPa = 9.9 atmósferas). La presión es equivalente
a una fuerza por unidad de área 
y
a una E por unidad de volumen 
.
La tabla 3-1 compara pascales con otras unidades de presión.
Si en cambio se empujar sobre el émbolo se hala (succiona)
se desarrollará una tensión o presión hidrostática
negativa generada por el agua para resistir al halón. Que
tan fuerte debemos halar el émbolo antes de que las moléculas
de agua se separen y la columna de agua se rompa?. Romper la columna
de agua requiere suficiente E para contrarrestar las fuerzas que
atraen las moléculas entre sí.
En la jeringa de la Fig 2-12,
pequeñas burbujas interfieren con la medida por que se expanden
cuando la presión se reduce (reducen la presión porque
el aire es compresible), sin embargo estudios cuidadosos demuestran
que el agua en capilares pequeños pueden resistir tesiones
negativas menores de -30 Mpa (el signo negativo significa tensión,
opuesto a compresión). Este valor solo es una fracción
de la fuerza (presión) teórica del agua calculada
sobre la base de la fuerza de los puentes de H. No obstante esta
es cerca de 10% de la fuerza tensil de un alambre de cobre o aluminio
y por tanto es importante.
| 1 atmósfera | = 14.7 libras por pulgada cuadrada = 760 mm de Hg (a nivel del mar, 45º latitud = 1.013 bar = 0.1013 Mpa = 1.013 x 105 Pa |
Tabla 2-12.- Comparación de las unidades
de presión
Una llanta de un vehículo
normalmente se infla a 02. Mpa
La presión del agua en la llave de la casa es 0.2 a 0.3 Mpa
La presión del agua bajo 15 pies (5 m) de agua es 0.05 Mpa
La presencia de burbujas de gas reducen la fuerza tensil de la columna de agua. La más baja presión absoluta posible en una fase gaseosa es 0 MPa (vacío completo) debido a que las fuerzas intermoleculares de atracción necesitan resistir una presión negativa (o tensión) no existen en los gases ideales. En contraste, las atracciones intermoleculares en sólidos y líquidos pueden resistir fuerza tensil. Por tanto en una columna de agua bajo tensión una pequeña burbuja de aire que se forme se expandirá indefinidamente, resultando en el colapso de la fase líquida, fenómeno conocido como cavitación, la cual tiene un efecto devastador sobre el transporte de agua en el xilema de los árboles.
Fig. 2-12.-
Para crear presiones positivas y negativas en un fluido como el
agua se puede usar una jeringa tapada. Empujando sobre el émbolo
se comprime el fluido y se construye una presión positiva.
Si dentro de la jeringa queda atrapada una pequeña burbuja
de aire, esta se reducirá con el aumento de presión.
La succión sobre el émbolo causa que el fluido desarrolle
una tensión o presión negativa. Cualquier burbuja
en la jeringa se expandirá con la reducción de la
presión desde la atmosférica. Debido a que la fase
gaseosa puede expandirse indefinidamente, la expansión de
una burbuja de aire en la jeringa, nunca va más allá
del vacío completo, pero si la jeringa se llena con una solución
desgasificada y carente de burbujas puede desarrollar presión
por debajo del vacío (ej: presión negativa), debido
a que los puentes de H que sostienen junto el fluido desarrollan
considerable tensión antes de romperse De Taiz y Zeiger,
1998).
Una sustancia con el peso molecular del agua existirá como un gas a temperatura ambiente y tendrá un bajo punto de fusión de -100 oC. El agua, molécula con bajo peso molecular, es líquida a temperatura ambiente, característica explicable por que los puentes de hidrógeno entre sus moléculas permiten fuerzas de atracción desproporcionadamente altas que inhiben su separación y escape como vapor. En los hidrocarburos líquidos, las moléculas están unidas por fuerzas de Van der Waals, con muy poca energía pasan a la fase gaseosa. A mayor peso molecular de un elemento o compuesto, mayor posibilidad de que este sea sólido o líquido a temperatura de 20 °C. A menores pesos moleculares, mayor posibilidad de que un compuesto sea gaseoso o líquido (Tabla 2-4). El cambio de sólido a líquido o de líquido a gas, requiere más energía en las moléculas pesadas que en las livianas.
Fig. 2-13.- Presión de vapor de cuatro líquidos comunes, en función de la emperatura. La temperatura a la cual la presión del agua es de 760 torr es el punto de ebullición normal de cada líquido (Tomado de Brown et al., 1998 Fig 11-22)
Los líquidos son incompresibles, en consecuencia, los principios hidraúlicos pueden aplicarse a los organismos vivos compuestos en alto porcentaje por agua. La forma y función de las plantas depende de esta molécula; el crecimiento vegetal depende de su absorción y esta molécula garantiza el funcionamiento estomático y transporte de nutrientes dentro de la planta, las herbaceas mantienen su vigor por la presión que el agua ejerce en los protoplastos contra la pared.
Un líquido ebulle cuando su presión de vapor iguala la presión externa que actúa sobre la superficie del líquido, en ese punto las burbujas de aire pueden formarse en el interior del líquido. La temperatura de ebullición aumenta con el incremento de la presión externa. El punto de ebullición de un líquido a 1 atm de presión se llama punto de ebullición normal, en el agua es de 100 °C y es más elevado que para otros hidruros comparables. (Las fuerzas de atracción entre las moléculas y su cohesión interna es elevada.
El agua es excelente conductor de calor sí se compara con otros líquidos y sólidos no metálicos, pero bastante deficiente sí se compara con los metales.
El agua es bastante transparente a la radiación visible, permite la penetración de la luz a grandes profundidades garantizando la fotosíntesis de las algas; sin embargo es opaca para las longitudes de onda larga con lo cual los filtros de agua constituyen filtros absorbentes de calor bastante buenos.
El agua
es un disolvente capaz de reducir las fuerzas de atracción
ó repulsión que existen entre partículas de
cargas opuestas o iguales respectivamente, esta tendencia se expresa
por la Constante dieléctrica (capacidad de neutralizar la
atracción entre cargas eléctricas).
El agua tiende a oponerse a la atracción
electrostática entre iones + y -, tendencia que se expresa
por la Constante Dieléctrica (D). La E que se libera cuando
los iones se unen al agua causa la solubilidad de los iones en el
agua y los protege contra iones de carga opuesta.
Tabla 2-4.- Constantes dielectricas de algunos liquidos (20ºC)
El agua es un excelente disolvente disuelve
mayor cantidad de sustancias y de mas amplia variedad que cualquier
otro líquido, esto se debe al tamaño pequeño
de la molécula, a su naturaleza polar y a la alta constante
dieléctrica, que la convierten en un buen solvente para sustancias
iónicas y moléculas polares como azúcares y
aminoácidos que contienen residuos
.
También en el agua son solubles los compuestos no iónicos,
polares Hidrofílicas:
Azúcares Las moléculas de Agua establecen puentes
de H con los grupos funcionales (oxidrilo y carbonilo) -OH y COO-;
enlaces
peptídicos (-CN-) enlaces amino (- NH2) y éster
Alcoholes sencillos
Aldehídos
Cetonas
Proteínas
Las moléculas
de agua se orientan alrededor de iones y solutos polares en solución
y envuelven sus cargas eléctricas. Esta cobertura disminuye
la interacción electrostática entre las sustancias
cargadas y aumenta su solublidad. Por tanto los extremos polares
de las moléculas de agua pueden orientarse próximos
a los grupos cargados o parcialmente cargados de las macromoléculas
formando capas de hidratación. El H entrelazado entre las
macromoléculas y el agua reduce la interacción entre
las macromoléculas y ayuda a mantenerlas en solución.
El agua esta ionizada muy levemente,
solo una molécula de agua en 
está
disociada o ionizada. El ión hidrógeno es un protón
simple que se asocia con una molécula de agua para formar
un ión hidronio: 
.
En un litro de agua pura a 25ºC en un momento dado solo existen
moles de iones de 
(representados
convencionalmente por 
aunque en el agua no existen potones desnudos) y una cantidad igual
de iones 
.
La tendencia de recombinación de esos iones está en
función de los cambios por colisiones entre ellos, y depende
del número de iones presentes en la solución.
Si el agua contiene electrolitos disueltos (cargados eléctricamente) se convierte en excelente conductor eléctrico, pero el agua completamente pura (difícil de obtener) es un mal conductor porque los puentes de H la hacen demasiado rígida para llevar una carga eficazmente.
La disociación
del agua es un proceso de equilibrio entre los iones en que se separa
el agua: 
.
Su recombinación es función de la probabilidad de
colisiones entre ellos que a su vez 0epende del número de
iones relativo presente en la solución. Esta ley de acción
de masas se expresa matemáticamente como el producto de las
concentraciones molales (m = moles por Kg de agua que equivale a
una constante 
.
En soluciones diluidas las concentraciones molales son virtualmente
iguales a las concentraciones molares (M = moles por l de solución
final)
A temperaturas cercanas a la del ambiente 
de
forma que en agua pura cada 
.
Como la concentración del agua en agua pura es muy alta (número
de gramos de agua en un litro / peso molecular gramo = 1000/18 =
55.5 M) entonces la expresión puede simplificarse a: 55.5
K = 
,
pero 55.5K se puede reemplazar por el producto iónico del
agua 
.
El valor de Kw a 15ºC es 
.
En una solución ácida la
es elevada pero la es
baja; en una solución básica ocurre lo contrario.
y en le agua pura y
de =
7.
El producto iónico del agua constituye la base para la escala
de pH forma de designar la concentración real de iones.
a 25ºC en solución neutra: =
=
M,
el pH de la solución = log 1 /
= 7.0
La ley de acción de masas se puede expresar por el producto
de la concentración molal (m) (moles por kilogramo de agua)
. En soluciones diluidas la m es virtualmente igual a la concentración
molar (M) (moles por litro de solución final).
En el
agua, la concentración de oxidrilos en general difiere de
la de hidrogeniones, por esta razón difícilmente es
neutra. La presencia de 
baja el pH del agua destilada y el carbonato de Calcio lo eleva.
Por estar
poco ionizada, el agua tiene elevada constante dieléctrica
(Tabla 2-2) que garantiza su comportamiento como disolvente casi
perfecto, para compuestos iónicos debido a que sus cargas
(+) y (-) atraen los iones correspondientes formando una envoltura
de moléculas de agua al rededor del ión que lo mantiene
separado de otros (Fig. 2-3) y para compuestos no iónicos
(azúcares, alcoholes, aldehídos, cetonas, etc) porque
forma puentes de hidrógeno con los grupos funcionales polares
(,
COO
,
etc. Se deja absorber y retener fuertemente en las superficies de
celulosa, micelas arcillosas, moléculas protéicas
y otras sustancias, característica muy importante en la relación
suelo-planta-atmósfera.
Propiedades disolventes del agua.
El agua es mejor solvente que otros líquidos. En sol ac.
los iones simples Na
,
K, Ca
,
Mg
y Cl
están rodeados por una capa estable y estrechamente unida
de moléculas de agua. La función biológica
de los iones es importante, su flujo a través de las membranas
es clave por su cambio de tamaño.
El agua dispersa o solubiliza formando micelas a muchas sustancias anfipáticas que contienen grupos polares y no polares simultáneamente. Los primeros quedan expuestos a la fase acuosa y los otros se ocultan dentro de la estructura micelar (Fig. 2-4).
Para que el agua fluya, los puentes de hidrógeno deben romperse, en consecuencia se esperaría mayor viscosidad de la que presenta. En el agua líquida cada puente de hidrógeno es parte de dos moléculas por esto son débiles y susceptibles de fácil ruptura. En el hielo cada enlace es más fuerte porque hay menor número por átomo de oxigeno.La viscosidad se relaciona indirectamente con la temperatura (Tabla 2-4) hecho intrascendente para el funcionamiento de las plantas porque se mantiene baja temperaturas frías.
La densidad del agua es muy alta, superada solo por metales fundidos. La máxima se detecta a 4ºC y no al congelarse.
Muchas sustancias quimicamente puras retienen con relativa firmeza y en proporción definida moléculas de agua. Su fórmula se escribe indicando que contienen moléculas intactas de agua cuya expulsión puede provocarse con calor transformándo los compuestos en sus formas anhídras
Los tres isótopos de H (número de neutrones) que tienen peso atómico de 1, 2 y 3 permiten diferenciar entre agua ordinaria y agua marcada. En 1930 se obtuvo agua pesada marcada con deuterio (H con peso atómico = 2), se uso en estudios bioquímicos y de permeabilidad de M. Más tarde se reemplazo por agua con tritio (H con peso atómico = 3) el cual es radioactivo y por tanto más conveniente como marcador por ser mas fácil de detectar con espectrómetro de masas.
El isótopo
estable de O con peso atómico de 18 permite estudiar su función
en el agua. La relación de deuterio a H se ha usado para
reconstruir climas pasados y para estudiar la partición del
agua en hojas y células. El 
se
evapora más rápido que el 
el agua de la hoja tiene mayor relación que el agua del tallo
o de la raíz aunque el enriquecimiento no es estrictamente
proporcional a la tasa de transpiración. Del estudio de los
efectos de las velocidades de transpiración altas y bajas
sobre la relación del agua isotópica en las hojas,
se sabe que el agua debe existir en tres compartimentos: una fracción
en las venas, un pool simplástico y un pool del cual ocurre
la transpiración. Con el uso de agua tritiada se demostró
la presión de la raíz y la gutación en angiospermas
sumergidas.
