La fórmula química del agua es H₂O. Un enlace covalente se forma entre un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. El oxígeno tiene una electronegatividad más alta para atraer la nube de electrones compartidos y llevar una carga parcial negativa (𝛿−). La nube de electrones en los átomos de hidrógeno es despojada por el oxígeno, por lo que exhibe carga parcial positiva (𝛿+). La hibridación sp³ en el átomo de oxígeno resulta en una estructura en forma de V que evita que las cargas distribuidas desigualmente se cancelen entre sí. Consecuentemente, la molécula neutral presenta polaridad. El ángulo de enlace H-O-H es aproximadamente 105°, ligeramente menor que el ángulo ideal de 109.5° en los orbitales híbridos sp³. Cuando se consideran sus pares solitarios, toda la molécula se asemeja a un tetraedro.
El átomo de hidrógeno en otra molécula de agua es fuertemente atraído por los pares solitarios en el oxígeno. Aunque pertenece a una fuerza de van der Waals, es mucho más fuerte que las fuerzas típicas dipolo-dipolo y más débil que los enlaces covalentes. Por lo tanto, a menudo lo discutimos por separado y nos referimos a él como un enlace de hidrógeno. Cada agua forma enlaces de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua. Estos enlaces están en un equilibrio dinámico de formación y disociación. Su vida media es solo de unos pocos femtosegundos. Las propiedades físicas y químicas únicas del agua se atribuyen a los enlaces de hidrógeno, las interacciones entre fuerzas moleculares ordinarias y enlaces covalentes.
Tensión Superficial
Esto surge de diferentes interacciones externa e internamente. Las moléculas en la superficie son atraídas por el líquido debajo, que intenta tirarlas de vuelta hacia adentro. Dentro del líquido, cada molécula está rodeada por otras y experimenta una fuerza neta cero. Una "película" apretada aparece en la superficie del líquido. Los enlaces de hidrógeno les dan una atracción más fuerte, por lo tanto, la tensión superficial del agua es muy grande. Esta es la base de muchos fenómenos físicos únicos. Los insectos pequeños patinan sobre los estanques; observas gotas subiendo por los capilares contra la gravedad. Esto es porque la tensión superficial y la atracción de las paredes del tubo son mayores que el peso del agua misma. La acción capilar transporta agua desde las raíces hasta las puntas de las plantas.
Alta Capacidad Calorífica Específica del Agua
Los enlaces de hidrógeno deben romperse antes de la aceleración, por lo que se consume energía térmica adicional, y su energía cinética no aumenta obviamente. Más calor es absorbido por el agua que por otros líquidos para elevar la misma temperatura. Mantener temperaturas moderadas es crucial para la vida. Por ejemplo, los océanos absorben el calor del sol, y su temperatura solo sube unos pocos grados durante el día; por la noche, los océanos liberan el calor ganado durante el día para evitar una caída rápida de la temperatura. Esto inhibe cambios drásticos de temperatura en la Tierra (el efecto invernadero es otra razón).
Cuando el agua se mueve de líquido a aire, se consume energía cinética adicional para superar los enlaces de hidrógeno. En verano o durante un ejercicio intenso, mucho calor es llevado por la evaporación del sudor, de modo que la temperatura corporal disminuye a niveles normales rápidamente.
El Hielo Flota en Ríos, Lagos, Mar
Un sólido de la misma sustancia es más denso que su líquido. Sin embargo, la densidad del agua es mayor que la del hielo, porque su movimiento térmico es más intenso, y las moléculas superan los enlaces de hidrógeno para estar más cerca. Cuando la temperatura está por debajo del punto de congelación, las moléculas de agua adyacentes son empujadas por el enlace de hidrógeno para formar un hexágono regular, ya que su movimiento térmico se ralentiza. Esto es por lo que el hielo sólido es más ligero y flota en la superficie del río. Esta característica es vital para la vida. Si el hielo se hundiera al fondo, congelaría a los organismos bentónicos y alteraría los ecosistemas. La luz del sol es bloqueada por el líquido arriba, y el hielo en el fondo podría no derretirse completamente en el verano caluroso. Con el tiempo, el hielo en ríos, lagos y océanos aumentaría. Eventualmente, nuestra tierra no sería adecuada para los seres vivos.
Es un Buen Solvente
Los iones son fácilmente despojados por la atracción electrostática de las moléculas de agua polares parcialmente cargadas, por lo que los compuestos iónicos como NaCl y MgCl₂ se disuelven fácilmente en medios acuosos. Aunque los sacáridos no están compuestos por enlaces iónicos, tienen grupos hidrofílicos -OH, C=O o -CHO cuya distribución de carga desigual atrae a las moléculas de agua para hacerlos muy solubles. Incluso algunas moléculas grandes, como las proteínas, son solubles si tienen regiones hidrofílicas o iónicas.
Porque disuelve fácilmente moléculas polares e iones, es un medio ideal para varias reacciones químicas en la vida. Los nutrientes celulares y los desechos también son transportados por él.