Plumas NCC | El agua: una molécula insustituible

Por: Aldo Saavedra (Chile).

Estamos surcando una época de grandes incertidumbres en nuestro planeta, ya es un hecho irrefutable el alarmante aumento de las temperaturas globales, la modificación del clima en vastas regiones de la Tierra, la alteración del ciclo hidrológico y los impactos antropogénicos sobre el medio ambiente. Disminuyen dramáticamente los casquetes polares y los glaciares, crece la desertificación y cada vez resulta más esquiva la disponibilidad de agua en cantidad y calidad suficiente para satisfacer las actividades humanas.

En este contexto, resulta interesante preguntarse justamente sobre la molécula de agua, de dónde proviene y por qué sus propiedades tan particulares la transforman en una sustancia única e insustituible para mantener la vida en la Tierra.

¿Cuál es el origen del agua en el Universo? 

Desde un punto de vista químico, el agua es una molécula que está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos entre sí mediante enlaces covalentes. El primer elemento, hidrógeno, es el material más abundante del universo, estimándose que corresponde al 75 por ciento de toda la materia que existe, encontrándose con abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes.

Si consideramos la teoría del Big Bang para explicar el origen del universo hace unos 13.800 millones de años, la gran explosión inicial o “inflación cósmica” fue el punto de partida para la creación de todo lo existente, estrellas, galaxias, polvo cósmico, energía, espacio y tiempo.

Una vez ocurrida esta singularidad, transcurrieron cerca de 250 millones de años, período que la astronomía ha denominado “edad oscura”, para obtener las condiciones que, mediante la recombinación de protones, neutrones, electrones y otras partículas subatómicas, permitieran generar enormes cantidades de hidrógeno, y con ello la formación de las primeras estrellas, dando paso a otro extenso período que se denomina “amanecer cósmico”.

Mientras tanto el universo se expandía y simultáneamente se enfriaba a temperaturas del orden de millones de grados Kelvin, lo que permitiría el desarrollo de reacciones de fusión nuclear, teniendo al hidrógeno como materia prima, para formar elementos químicos de mayor peso atómico.

Es el momento de incorporar al otro actor integrante del agua, el oxígeno. Este es cuantitativamente el tercer elemento más abundante en el universo después del hidrógeno y el helio. El oxígeno se origina en las estrellas a partir de reacciones de fusión nuclear, y de esta manera ya se dispondrá de los elementos químicos para producir moléculas de agua, en esta oportunidad mediante reacciones químicas y no nucleares debido a que involucran elementos ya formados que darán productos mediante un reordenamiento de sus estructuras a nivel electrónico.

Se estima que las primeras moléculas de agua se crearon en regiones del universo que ya se encontraban a bajas temperaturas, en las cuales había presencia de polvo cósmico que sirvió de material catalítico para adsorber los átomos de hidrógeno y oxígeno. De esta forma, se facilitaron las reacciones químicas que formarían agua molecular.

¿De donde proviene el agua presente en nuestro planeta?

Nuestro sistema Solar nació hace unos 4.600 millones de años, es decir tuvieron que pasar unos 9.200 millones de años desde el Big Bang para asistir a la formación del Sol y sus planetas, entre ellos la Tierra, cuyas características primigenias eran muy distintas a las actuales: no había agua ni tampoco la capa gaseosa que denominamos atmósfera, concretamente era un planeta seco y con altas temperaturas.

Existen varias teorías sobre el origen del agua en la Tierra, una de ellas afirma que durante millones de años y por efecto de las fuerzas de atracción gravitacional, el planeta experimentó el bombardeo de objetos helados, meteoritos, cometas y planetesimales que portaban agua que se fue acumulando en el planeta.

La otra teoría, no excluyente, plantea que el hidrógeno presente en el interior de la Tierra también aportó a la formación de agua. De cualquier forma, la presencia del agua permitió modular temperaturas, contribuir a la creación de la atmósfera y sentar las bases para generar lo que denominamos “vida”.

¿Cuáles son esas características físicoquímicas tan particulares del agua?

El agua tiene propiedades únicas, esenciales para dar soporte a la vida. Sin agua no hay vida. Tal vez la característica más relevante de esta molécula es su capacidad para formar enlaces denominados “puentes de hidrógeno”.

La disposición espacial de los átomos de la molécula de agua, unida a la alta electronegatividad del oxígeno con respecto al hidrógeno, posibilita una acumulación relativa de carga local parcial negativa frente a una acumulación de carga local parcial positiva. Esto determina un momento bipolar y como consecuencia se forman uniones entre moléculas adyacentes de agua.

La formación de estos puentes de hidrógeno explica propiedades fisicoquímicas del agua de importancia para los ciclos de la naturaleza:

• Alto punto de ebullición, a pesar de su bajo peso molecular (18,02 g/mol).
• Coexistencia de los 3 estados físicos (gas, líquido y sólido) a temperaturas cercanas al ambiente, condición clave para sustentar la vida en el planeta a través del ciclo del agua.
• Mayor capacidad calorífica que otros líquidos, lo que le permite amortiguar variaciones de temperaturas, efecto que se visualiza claramente en las cercanías de grandes masas de agua, tales como mares y lagos.
• Gran capacidad solvente, lo que le  permite disolver fácilmente un sinnúmero de  sales, macromoléculas, sustancias coloidales, etc., todos materiales que están presentes en las denominadas aguas naturales.
• Capacidad de solubilizar gases, entre ellos el oxígeno (O2)  el anhídrido carbónico (CO2) y ácido sulfhídrico (H2S). En particular, la presencia de oxígeno disuelto, a nivel de pocos mg/litro, es fundamental y suficiente para sustentar la vida acuática.
• Comparado con otros líquidos, el agua presenta una elevada tensión superficial, propiedad que en conjunto con fuerzas cohesivas y de adhesión explican el fenómeno de capilaridad que es utilizado por las plantas para transportar elementos nutritivos disueltos desde las raíces hasta las hojas.
• En condiciones líquidas, el agua es el medio más adecuado para que se desarrollen muchas reacciones químicas, orgánicas, bioquímicas, y los equilibrios ácido-base que dan origen al difundido parámetro del pH.

De esta manera, en nuestra cotidiana relación con el agua, sea líquida, vapor o hielo, me permitiré invitar a reflexionar que estamos en presencia de una molécula que tuvo su génesis en las estrellas, que ha acompañado a la Tierra desde su formación hace miles de millones de años; y que gracias a sus propiedades únicas es el material insustituible que sustenta la vida, la naturaleza y el desarrollo de nuestras civilizaciones.

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Aldo Saa­ve­dra es aca­dé­mi­co del De­par­ta­men­to de In­ge­nie­ría Quí­mi­ca de la Uni­ver­si­dad de San­tia­go. Doc­tor en In­ge­nie­ría Quí­mi­ca, In­ge­nie­ro Ci­vil Quí­mi­co, in­ves­ti­ga­dor del La­bo­ra­to­rio de Pro­ce­sos de Se­pa­ra­ción por Mem­bra­nas del De­par­ta­men­to de In­ge­nie­ría Quí­mi­ca. Su prin­ci­pal lí­nea de in­ves­ti­ga­ción es la desa­li­ni­za­ción y tra­ta­mien­to de aguas para su em­pleo en rie­go agrí­co­la, agua po­ta­ble y pro­ce­sos pro­duc­ti­vos.