6.3 Origen de los puentes de hidrógeno

Las moléculas de agua pueden agruparse entre si gracias a unos enlaces de tipo electrostático llamados enlaces o puentes de hidrógeno, cuya función determina las propiedades del agua. Un puente de hidrógeno se establece entre el átomo de hidrogeno de una molécula y el de oxigeno de otra que esté próxima.

Los dos enlaces O - H de la molécula de agua, forman un ángulo de 104.9º, El comportamiento del agua, es causado porque la distribución de los electrones en el enlace covalente OH no es simétrica: los electrones son atraídos más fuertemente por el átomo de oxigeno que por el de hidrógeno, así los electrones de los dos hidrógenos quedan desplazados hacia el átomo de oxigeno, como consecuencia, el oxigeno queda cargado negativamente y los hidrógenos positivamente. Este desequilibrio en la distribución de las cargas eléctricas, añadido a la geometría no lineal de la molécula de agua se traduce en la formación de un "momento bipolar - eléctrico". La molécula de agua es dipolar.

Normalmente un átomo de hidrógeno solo puede formar a la vez un enlace covalente con otro átomo. Sin embargo un átomo de hidrógeno unido covalentemente puede formar un enlace adicional: un puente de hidrógeno esto es, una asociación débil entre un átomo electronegativo (aceptor) y un átomo de hidrógeno covalentemente unido a otro átomo (donante) (Figs. 6.1 y 6.2). Los puentes de hidrógeno son de importancia fundamental para la vida sobre la tierra, porque todas las formas vivas requieren ambientes acuosos.

La energía aproximada de un puente de hídrogeno del agua es de 5 kcal mol^-1, más débil que la del enlace covalente O-H (110 kcal mol^-1), La disposición de otras moléculas unidas por puentes de hidrógeno alrededor de cada molécula de agua, conduce a que en el seno del líquido, se forme una estructura ordenada de tipo reticular, responsable en gran parte del comportamiento anómalo y de sus propiedades físicas y químicas.

Una característica importante de los puentes de hidrógeno su direccionalidad. Los más fuertes, son aquellos en que los tres átomos participantes - donante, aceptor y el átomo de hidrógeno - están en línea recta. La distancia entre los núcleos de los átomos de hidrógeno y oxígeno de moléculas de agua adyacentes, unidas por puentes de hidrógeno, es de aproximadamente 0.27 nm, esto es aproximadamente el doble de la longitud del enlace covalente H - O.

Los puentes de hidrógeno, son la causa de las propiedades físicas exclusivas del agua y hacen que se comporte como un líquido.

Polisacáridos, ácidos nucleicos y otras moléculas de la célula está fuertemente influenciada por los puentes de hidrógeno, son la causa de la estabilidad de la arquitectura tridimensional de las proteínas y de la formación de pares de bases estables entre las dos hebras de ADN.

Los puentes de hidrógeno, son la causa de las propiedades físicas exclusivas del agua y hacen que se comporte como un líquido.

Polisacáridos, ácidos nucléicos y otras moléculas de la célula está fuertemente influenciada por los puentes de hidrógeno, son la causa de la estabilidad de la arquitectura tridimensional de las proteínas y de la formación de pares de bases estables entre las dos hebras de ADN.

Fig. 6.2. Formación de puentes de hidrógeno. Modificado por FACH

El agua se presenta en tres estados: Sólida, líquida y gaseosa.

El agua puede sufrir cambios físicos, y durante estos, cambia su apariencia física pero no su composición. A temperatura ambiente el agua es líquida, esta característica la hace diferente de otras moléculas de peso molecular similar (SO₂, CO₂, SO₂, H₂S, etc) que son gaseosas en estas mismas condiciones.

La solidificación del agua es un cambio físico. Cada átomo de oxígeno forma dos enlaces covalentes con dos átomos de hidrógeno y dos puentes de hidrógeno con los átomos de hidrógeno de moléculas adyacentes. El átomo de oxígeno queda centrado en una estructura cuasi-tetraédica (Fig. 6.3) y los dos enlaces en que participa cada átomo de hidrógeno son colineales.

Fig. 6.3. Estructura cristalina del hielo. consiste en una red tetraédrica de moléculas de H2O unidas entre si por enlaces de hidrogeno. En un cristal de hielo cada átomo de oxígeno (representado por el color azul oscuro), está situado en el centro de un tetraedro donde forma cuatro enlaces dirigidos hacia los vértices. Dos de los enlaces con dos átomos de hidrógeno son covalentes, los dos restantes son puentes de hidrógeno, en los que el oxígeno actúa como aceptor. El hielo por consiguiente es una red rígida de moléculas de agua. Aunque estable a temperatura ambiente, el puente de hidrógeno es frágil comparado con el enlace covalente; de ahí, su importancia en las reacciones bioquímicas, donde las energías son pequeñas.

La estructura exacta del agua líquida aún no es bien conocida, para tratar de explicar sus diferentes propiedades el físico alemán Róntgen (1982), propuso la presencia de estructuras moleculares "glaciformes" en el estado líquido. Pero el principal avance sobre el tema se debe a J.D. Bernal y R.H. Fowler de la universidad de Cambridge, quienes basados en experimentos de difracción de rayos X, describieron la distribución radial de las moléculas de agua alrededor de otra que se toma como centro.

Los picos se presentan en los lugares de mayor densidad electrónica, es decir, donde se encuentra una molécula de agua; el primer pico, corresponde a las moléculas más próximas, en el agua liquida, las cuales se sitúan a menor distancia que en el hielo; pero, la densidad del agua, a 4ºC, es mayor que la del hielo. La contradicción puede resolverse en el marco de un modelo en el que el agua contiene dos tipos de moléculas, uno de los cuales no participa en la formación de los puentes de hidrógeno. Los grandes picos observados en la función de distribución radial a mayores distancias corresponden a las moléculas de órdenes de vecindad más elevados; estos máximos van disminuyendo a medida que la temperatura aumenta, lo cual refleja la desaparición del orden en el agua a causa de la agitación térmica. El tamaño del primer pico permite inferir que el número medio de moléculas vecinos próximas a una molécula es de 4,4.

El que este número no sea 4, que es el que se esperaría para una estructura tetraédrica de los enlaces, es una consecuencia de la naturaleza compleja de la primera capa de moléculas vecinas, lo cual se refleja en que el agua es más densa que el hielo.

Sin embargo a mayores distancias, el enlace es más débil y los tres átomos O...H-O se desalinean, indicando que se ha producido una distorsión o una ruptura. Los resultados implican claramente que hay muchas "estructuras" de agua líquida, contrariamente a la suposición anterior según la cual, la estructura estaba formada por sólo dos tipos de moléculas, las ligadas entre si (por puentes de hidrógeno) y las no ligadas.

Se han propuesto varios modelos de la estructura del agua sin que ninguno sea plenamente satisfactorio, ni universal, porque no ofrecen predicciones cuantitativas para todas las propiedades del agua. Actualmente, es difícil valorar con claridad las distintas teorías sobre la estructura del agua, las cuales se esbozaran brevemente.

1. El agua líquida, es más parecida al hielo de lo que parece. En 1962, Cornelli, Nemethy y Scheraga, interpretaron los resultados obtenidos en 1938 por Gan y Warren sobre la distribución radial, en términos de una mezcla de dos tipos de moléculas: de una parte, cúmulos de moléculas ligadas por enlaces de hidrógeno, y, de otra, moléculas no ligadas. En este modelo se supone que los cúmulos moleculares unidos por enlace de hidrógeno a otros cuatro cúmulos situados en su inmediata vecindad se forman y se deshacen constantemente. Tres años más tarde, Samoilov, la interpretó en términos de un modelo intersticial; que supone que una red cristalina de moléculas ligadas por puentes de hidrógeno con cavidades en las que pueden moverse otras moléculas no contenidas en la red, llamadas ligadas o intersticiales. El hielo exhibe estas cavidades y el agua líquida tiene mayor densidad de moléculas vecinas a la distancia de 0,35 nanómetros; Samoilov concluyó que en el agua líquida el fenómeno corresponde al llenado de las cavidades por moléculas no ligadas; parece que el modelo de la mezcla de dos tipos de moléculas (ligadas y no ligadas) describe satisfactoriamente la estructura del agua. Sin embargo, los estudios con IR de los enlaces OH indican que el agua tiene mayor variedad de entornos moleculares, por lo tanto la descripción del modelo no es precisa.
   
2. El modelo del puente de hidrógeno distorsionado para la estructura del agua líquida, fue presentado por Pople (1951) de la universidad de Cambridge. Considera que los puentes de hidrógeno no son intactos sino están distorsionados en distintos grados o rotos como en el modelo de la mezcla. Se dice que un enlace de hidrógeno no está distorsionado cuando es lineal, es decir, cuando los átomos 0...H-0 están alineados. La energía de "distorsión" es nula cuando todos los ángulos son tetraédricos, como en el hielo. Una desviación de la situación corresponde a la distorsión del puente de hidrógeno y por consiguiente conduce a un aumento de la energía del sistema. La variedad de vibraciones es mayor en el agua líquida que en el hielo y la distorsión del puente de hidrógeno permite que algunas moléculas segundas y terceras en el orden de vecindad penetren dentro del entorno más próximo a la molécula central.

Con la evidencia experimental actual sobre la estructura del agua, concuerdan más los modelos de puentes de hidrógeno distorsionados que los modelos de tipo mezcla. Las teorías basadas en los puentes de hidrógeno distorsionados implica la presencia de muchos puentes en el agua liquida, lo cual permite explicar que el agua pura es un mal conductor de electricidad, rasgo que se puede relacionar con la dificultad que impone el puente de hidrógeno para la transferencia de electrones de una molécula a otra. Por el contrario, por un mecanismo, aún desconocido, el puente de hidrógeno, permite transferir protones, así se explica la elevada velocidad a la que esas partículas pueden moverse en el agua. El fenómeno, resulta cada vez más importante en química y en biología molecular (ej.: en fotosíntesis, una de las etapas importantes del proceso de almacenamiento de energía que se recibe en forma luminosa implica el transporte de protones a través de las membranas celulares).

Otra propiedad que concuerda con la abundancia de enlaces de hidrógeno, es la gran energía de vaporización del agua se debe a que para transformar agua en vapor hay que romper enlaces de hidrógeno: cuanto más numerosos son estos últimos, mayor es la energía necesaria.

La investigación de Speedy et al., sugiere que las redes que forman los puentes de hidrogeno son más hexagonales como en el hielo, cuanto mas fría esta el agua, o se parecen a pentágonos como en los clatratos de gases inertes hidratados, que Pauling (1959) propuso como modelo intersticial del agua.