Primero, comprendamos cuáles son las fuerzas atractivas: la molécula de agua, debido a su forma doblada, tiene un momento dipolar. El lado de oxígeno tiene una carga negativa, mientras que el lado de hidrógeno tiene una carga positiva:
La atracción entre las cargas dipolares del agua es (principalmente) de qué se trata el enlace de hidrógeno y por qué el agua es un líquido a temperaturas tan altas (hasta 100 ºC a presión atmosférica). De hecho, el agua líquida tiene una estructura promedio gracias al enlace de hidrógeno. La siguiente figura muestra cómo el agua líquida adopta una estructura intermolecular suelta gracias al enlace de hidrógeno:
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En contraste, la molécula de metano (CH4) tiene casi la misma masa molecular pero hierve a -162 ºC. Esto se debe a que las moléculas de metano no tienen un momento dipolar y lo único que atrae a las moléculas de CH4 juntas es la fuerza muy débil de van der Waals que resulta de las fluctuaciones transitorias en la densidad electrónica local (no se preocupe por esto ahora …). Un ejemplo aún mejor es el argón; Tiene la misma masa que el agua, pero su punto de ebullición es de -185 ºC. Una vez más, los átomos de argón no tienen momentos dipolares y solo se mantienen unidos por fuerzas muy débiles de van der Waals.
Entonces, ¿por qué los enlaces de hidrógeno en el agua se rompen con el aumento de la temperatura? Bueno, a medida que aumentamos la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas de agua. Parte de esta energía cinética se toma como movimiento de rotación; El movimiento de rotación de las moléculas de agua les impide orientar sus dipolos entre sí. ¡Cada molécula de agua comienza a parecerse a un átomo de argón! Podemos ver este efecto en simulaciones por computadora (simulaciones dinámicas moleculares). La siguiente figura muestra cómo la estructura intermolecular promedio del agua líquida (o supercrítica) cambia con la temperatura; los picos correspondientes a las distancias en la figura anterior comienzan a desaparecer (la curva experimental es de difracción de neutrones, mientras que la curva SPC / E es de simulación por computadora).
La pérdida del momento dipolar también significa que las propiedades de solvatación del agua cambian dramáticamente con la temperatura. La naturaleza del agua caliente es algo en lo que los geoquímicos están muy interesados porque las soluciones hidrotermales en la corteza terrestre están a temperaturas de hasta 600 ºC. Estos fluidos extraen iones metálicos de las rocas y forman depósitos minerales.
