Agua, molécula fundamental (I): Fundamentos e Historia de la Química

El pasado 30 de enero se celebró en la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) una mesa redonda titulada El agua, una molécula fundamental dentro de las sesiones de la IV Edición del curso de divulgación Los avances de la Química y su impacto en la sociedad que dirige el maestro Bernardo Herradón. Fue todo un honor y placer participar en esta cuarta edición del curso y compartir tiempo y espacio con profesionales como Yolanda Pérez Cortés (URJC)  y Eloy García Calvo (UAH, IMDEA-AGUA). 

Yolanda impartió una excelente charla de 40 minutos en la que los asistentes pudimos aprender sobre nanotecnología y su aplicación a la potabilización y depuración del agua. Investigación puntera que muestra que la Química no deja de avanzar y de contribuir al desarrollo tecnológico y por tanto, a la sociedad. Eloy con su charla Agua, una molécula y algo más nos habló precisamente del papel del agua para la sociedad actual durante 35 minutos, presentando los principales problemas del agua actualmente. Una sesión con más de 50 asistentes donde fue posible disfrutar y aprender con la Química.

Mi intervención, de unos 30 minutos, llevó por subtítulo Una clase de Química con una única molécula: El agua. Precisamente, en esta serie de artículos Agua, molécula fundamental vamos a recoger aquellos aspectos tratados en la sesión del curso. Las diapositivas del curso están disponibles en este enlace y puedes verlas a continuación:

El oxidano (nombre de la IUPAC para el H2O de acuerdo a las últimas normas de Formulación y Nomenclatura Inorgánica, libro rojo), más conocido como agua (nombre cuyo uso sigue siendo admitido por la IUPAC) es una combinación química de dos elementos: hidrógeno y oxígeno.

El hidrógeno es el elemento Z=1 de la Tabla Periódica. Con un protón en su núcleo y configuración electrónica 1s1, situar al hidrógeno en la Tabla Periódica siempre ha despertado gran polémica en la comunidad química tal y como ya tratamos en este artículo. Formando moléculas diatómicas (H2), este gas ligero y explosivo fue detectado por Paracelso y por Boyle en sus experimentos, pero no será hasta 1766 cuando Henry Cavendish descubra este elemento, al que llamó aire inflamable y que se obtenía cuando algunos metales, como el cinc, se trataban con ácidos. En 1781 al quemar dicho gas en el interior de un recipiente, aparecía un líquido transparente que recordaba al agua. Sin embargo, será el gran Lavoisier quien repetirá estos experimentos y entenderá la trascendencia de los experimentos de Cavendish, que fue siempre reacio a publicar sus experimentos y descubrimientos: ¡El agua no era un elemento! ¡Era una combinación química de hidrógeno y oxígeno! De hecho, Lavoisier propuso el nombre de hidrógeno (generador de agua) para el aire inflamable de Cavendish, nombre que hemos heredado.

¿Y qué ocurre con el oxígeno? Tradicionalmente se considera a Lavoisier como el descubridor del oxígeno quien el 19 de abril de 1776 presentó ante la Real Academia de Ciencias de Francia su escrito sobre el papel de dicho gas en la combustión, pero lo cierto es que los químicos Carl W. Scheele (1742-1786) y Joseph Priestley (1733-1804) lo habían obtenido años antes al calentar óxido de mercurio (entre otros experimentos), aunque no habían sido capaces de interpretar correctamente el papel que dicho elemento jugaba en los procesos químicos tales como la combustión, la calcinación de los metales o la respiración. Lavoisier propuso para el aire del fuego de Scheele y el aire desflogisticado de Priestley el nombre de oxígeno, generador de ácidos. Esto es debido a que en aquella época, los ácidos conocidos y caracterizados presentaban oxígeno en su composición (ácidos orgánicos, como el ácido acético y oxoácidos, como el ácido vitriólico o ácido sulfúrico) por lo que se atribuyó a este elemento la propiedad de la acidez. No obstante, Humphry Davy apuntaría que esto no es así al establecer la composición del ácido muriático, hoy ácido clorhídrico o clorano (nombre de acuerdo a las normas de la IUPAC vigentes actualmente), que no presenta oxígeno en su composición (como todos los hidrácidos conocidos hoy). Pero como hemos comentado en más de una ocasión, la acidez es un concepto químico que da mucho de sí…

Con Lavoisier el agua deja de ser un elemento, rompiendo con la tradición aristotélica. Para John Dalton el agua será HO, dada la hipótesis de la máxima simplicidad que mantuvo desde el desarrollo de su teoría atómica de comienzos del siglo XIX. A lo largo de este siglo, los experimentos de diversos químicos como Gay-Lussac y Alexander Von  Humboldt (dos volúmenes de hidrógeno gaseoso se combina con un volumen de oxígeno gas para generar dos volúmenes de vapor de agua), la interpretación que de ellos se dio con la hipótesis de Avogadro (considerando el oxígeno y el hidrógeno como gases formados por moléculas diatómicas) y el avance en los estudios de interacción entre la corriente eléctrica y la materia con los experimentos de electrólisis de Humphry Davy Michael Faraday (al descomponer el agua por electrólisis se obtiene el doble de volumen de gas hidrógeno que de gas oxígeno), entre otros hechos, condujeron a la comunidad química a escribir H2O, fórmula que hasta 1858 no fue aceptada (más o menos de forma unánime) por todos la comunidad química. En dicha aceptación, cabe mencionar los trabajos de Berzelius (basándose en los trabajos sobre pesos equivalentes de Cavendish, 1766, y de J.B. Ritcher, 1792, ) y Canizzarro (que presentaría a la comunidad química la olvidada hipótesis de Avogadro en el congreso de Karlsruhe en 1860), entre otros químicos, que contribuyeron a arrojar luz al panorama de la Química de la época.

Como pudimos ver en la sesión del curso y como habéis podido comprobar, es posible recorrer la historia de la Química con una única molécula, ¡el agua! Pero además, este compuesto nos permite hacer un recorrido por los fundamentos de la Química.

Uno de los principales fundamentos de la Química es el estudio del enlace químico y de las interacciones químicas de no enlace y aquí el agua, es sin duda un buen ejemplo. En cuanto al enlace químico:

La teoría de Lewis del enlace químico entiende la molécula de agua como una especie en la que el átomo de oxígeno completa el octeto (8 electrones en su capa de valencia) al compartir dos pares de electrones con dos átomos de hidrógeno (que completan su capa de valencia con dos electrones).

El método de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia(método RPECV) considera la molécula de agua como una especie del tipo AX2E2 con cuatro regiones de densidad electrónica en torno al átomo central (A=O), dos regiones electrónicas de enlace (X=H) y dos pares de electrones solitarios (E), lo que concuerda con una geometría molecular angular. El ángulo de enlace H-O-H (104,5º) se cierra respecto al valor propio de un tetraedro regular (109,5º) debido a la repulsión entre los pares de electrones solitarios.

-La Teoría de Enlace de Valencia, TEV (en su extensión propuesta por Linus C. Pauling al incluir la hibridación de orbitales atómicos), la molécula de agua se entiende como el resultado del solapamiento de dos orbitales sp3 del oxígeno con sendos orbital 1s de los dos átomos de hidrógeno, lo cual permite explicar la geometría angular. El menor ángulo de enlace H-O-H se explica, en esta teoría, considerando que los orbitales sp3 del oxígeno no son equivalentes. Los orbitales sp3 que solapan con los orbitales s del hidrógeno presentan una mayor participación p  (20% participación s, 80% participación p) que los orbitales sp3 con pares de electrones solitarios (30% participación s, 70% participación p) por lo que el ángulo de enlace tiende a aproximarse a 90º (ángulo que tendríamos con orbitales 100% p). Si bien, cabe destacar y es curioso hacerlo, que en algunos textos de Química antiguos se explica la geometría molecular del agua por solapamiento de orbitales 2p(O)-1s(H), de modo que el ángulo de enlace H-O-H se alejaría del valor de 90º (el ángulo que forman los dos orbitales 2p del oxígeno entre sí) debido a la repulsión interelectrónica y  a la repulsión entre los núcleos de los átomos de hidrógeno. No obstante, actualmente es mucho más común la interpretación del enlace y de la justificación de la geometría molecular del agua en base a orbitales híbridos y no en base a orbitales atómicos “puros”.

¿Curioso, verdad? Una explicación del enlace y la geometría molecular del agua mediante orbitales atómicos puros, ¡sin híbridos! 

La Teoría de Orbitales Moleculares (TOM) también permite explicar el enlace en la molécula de agua, considerando la especie H-O-H como el resultado de la combinación lineal (CLOA) de los orbitales 2s y 2p del O y los orbitales 1s de los átomos de H de forma que estos electrones ya no pertenecen a átomos aislados sino al conjunto de la molécula (orbitales moleculares). No obstante, dado que la teorías anteriores son más “visuales” y más “intuitivas” que la TOM, ésta suele ser menos aplicada por el gran público y, por supuesto, a nivel de enseñanza básica de la Química.

En cuanto a las interacciones químicas de no enlace (más conocidas como fuerzas intermoleculares, de las cuales ya hablábamos en el post Unen pero no enlazan) entre las moléculas de agua, como entre cualquier especie química (incluso entre los átomos de gases nobles), se dan interacciones de London o de dispersión y además, por el hecho de ser una molécula polar (la polaridad de los enlaces O-H, la geometría angular y la existencia de pares de electrones solitarios conducen a un momento dipolar de 1,85 D en la molécula de agua), interacciones dipolo-dipolo o interacciones de Keeson, que “enmascaran” a aquellas. Sin embargo, estas interacciones, presentes en el resto de combinaciones hidrogenadas de elementos del grupo 16 (hoy anfígenos, antiguos calcógenos), no permiten explicar el punto de ebullición anormalmente alto del agua, y en definitiva, por qué el agua es líquida mientras que el sulfuro de hidrógeno, de selenio y de teluro son gases a temperatura ambiente. Es aquí donde los enlaces de hidrógeno se hacen imprescindibles para explicar que el agua sea líquida a temperatura ambiente. Estos enlaces de hidrógeno también serán imprescindibles para explicar las anomalías del agua en lo referente a sus propiedades físicas.

Pero tendremos que esperar un poco más. De las propiedades físicas del agua y de interacciones químicas de no enlace hablaremos en Agua, molécula fundamental (II): Fundamentos, anomalías y Física. 

Notas:

1) Este artículo es el primero de la serie Agua, molécula fundamental. Con esta serie pretendemos mostrar cómo es posible explicar aspectos fundamentales de Química usando esta molécula al mismo tiempo que se incluyen contenidos relacionados con la historia y la filosofía de la Química.

2) Este post participa en la Edición Ge del Carnaval de Química que organiza Deborah García Bello (@profedeciencia) en su blog Dimentilsulfuro.

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