El puente de hidrógeno es un enlace que se establece entre moléculas capaces de generar cargas parciales. El agua, es la sustancia en donde los puentes de hidrógeno son más efectivos, en su molécula, los electrones que intervienen en sus enlaces, están más cerca del oxígeno que de los hidrógenos y por esto se generan dos cargas parciales negativas en el extremo donde está el oxígeno y dos cargas parciales positivas en el extremo donde se encuentran los hidrógenos. La presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las moléculas de agua se comporten como imanes en los que las partes con carga parcial positiva atraen a las partes con cargas parciales negativas. De tal suerte que una sola molécula de agua puede unirse a otras 4 moléculas de agua a través de 4 puentes de hidrógeno. Esta característica es la que hace al agua un líquido muy especial.
Los puentes de Hidrógeno, se forman por átomos de Hidrógeno localizados entre átomos electronegativos. Cuando un átomo de Hidrógeno está unido covalentemente, a una átomo electronegativo, ej. Oxígeno o Nitrógeno, asume una densidad (d) de carga positiva, debido a la elevada electronegatividad del átomo vecino. Esta deficiencia parcial en electrones, hace a los átomos de Hidrógeno susceptibles de atracción por los electrones no compartidos en los átomos de Oxígeno o Nitrógeno
Obsérvese la configuración electrónica del Oxígeno:
8O 1s2 2s2 2pxêé pyé pzé
de ahí que
:
:
d+ d+
d-
d+ d+
d-
Figura: configuración electrónica del Oxígeno
el puente de Hidrógeno es relativamente débil entre -20 y -30 kJ mol-1, la fuerza de enlace aumenta al aumentar la electronegatividad y disminuye con el tamaño de los átomos participantes. Por tanto, el puente de Hidrógeno existe en numerosas moléculas no solo en el agua. Aquí solo se tratará lo referente al agua.
La estructura del agua favorece las interacciones para formar puentes de Hidrógeno, el arreglo siempre es perpendicular entre las moléculas participantes, además, es favorecido por que cada protón unido a un Oxígeno muy electronegativo encuentra un electrón no compartido con el que interactúa uno a uno. De lo anterior se concluye que cada átomo d Oxígeno en el agua interacciona con 4 protones, dos de ellos unidos covalentemente y dos a través de puentes de Hidrógeno.
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colineales
Figura: Información sobre los puentes de Hidrógeno
Estudios de difracción de rayos X indican que la distancia entre los átomos de Oxígeno que intervienen en el puente de Hidrógeno, están separados por 0.28 nm lo que indica un arreglo tetraédrico de las moléculas de agua, además los puentes de Hidrógeno:
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TETRAHEDRO
Figura: representación de una molécula tetraédrica del agua.
La colinealidad de los puentes es muy importante, un alejamiento de 10° ocasiona la que el puente se rompa.
Linnus Pauling postuló a partir de observaciones de las transiciones moleculares (i.e. el movimiento de los átomos con respecto a aquellos a los que están unidos) de los átomos participantes en la molécula D2O (el deuterio forma parte de la pléyade de Hidrógeno), que el puente de Hidrógeno es la interacción más importante que juega un papel crítico no solo en la estructura del agua sino en la estructura y función de las macromoléculas biológicas.
Las especies ionizadas químicamente son comunes en todos los sistemas biológicos, por tanto, es crucial tener un entendimiento sólido de cómo los iones interactúan con ellos mismos y con el solvente que los contiene. El conocimiento de las interacciones entre el soluto y el solvente en soluciones homogéneas electrolíticas es el primer paso para entender el papel de los iones en los sistemas biológicos.
Una solución ideal, deberá cumplir con la Ley de Raoult, i.e. las presiones de vapor da cada uno de los componentes de una solución es proporcional a la fracción mol sobre el intervalo total de concentraciones, el requisito es que no debe existir interacciones de tipo soluto-soluto o soluto-solvente. Una especie cargada eléctricamente en un solvente polar como el agua, no satisface los requerimientos de no interacciones requeridos por la Ley de Raoult.
Existen numerosas teorías y modelos que tratan de explicar las características estructurales del agua.
En general, los modelos (tratamientos matemáticos), se pueden dividir en aquellos que tratan al agua líquida como un continuo, o bien aquellos que la tratan como la suma de diferentes estados de organización molecular.
Debido a la degeneración del número de estados energéticos que una molécula particular de agua puede ocupar en el bulto (i.e. en la estructura del agua líquida), pueden ser postulados un enorme número de microestados, por tanto, el cálculo de la entropía del sistema resulta muy complicado. En términos entrópicos, la formación de puentes de Hidrógeno en agua no restringe las elecciones posibles llevadas a cabo por las moléculas, pero maximiza las posibilidades. Una molécula de agua en el bulto, no puede ser identificada con certeza. Cuando las moléculas de agua son removidas del bulto o restringidas en su capacidad para asociarse con el bulto, la posibilidad de microestados decrece drásticamente y, por tanto, la entropía del sistema disminuye. Eso es muy importante para los sistemas biológicos, como se discute en las siguientes secciones.
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