L’aigua: font de vida i de sorpreses (I)

La vida, tal com l’entenem, no pot existir sense la presència de l'aigua, i per això la cerca es fa en aquells planetes que orbiten en el que s’anomena la zona habitable, és a dir, aquella en la qual l’aigua pugui existir en estat líquid. A la Terra, l’aigua es troba en estat líquid per sobre de zero graus Celsius a una pressió atmosfèrica d’uns 1.000 mbar (100 kPa). En altres planetes caldria consultar el diagrama de fases de l’aigua (vapor-líquid-sòlid) per veure si l’aigua líquida pot existir en funció de la temperatura i la pressió atmosfèrica corresponent. Tot i la seva rellevància, no tan sols per a la vida, l’aigua continua sent un misteri. Malgrat la simplicitat de la molècula d’aigua, hi ha moltes propietats que encara no entenem. Avui iniciem en aquest blog un seguit de posts explorant el món fascinant de l’aigua.

Comencem per entendre la molècula d’aigua. Com tots sabeu aquesta està composta per dos àtoms d’hidrògen (H) i un d’oxigen (O) en la proporció màgica 2:1 (H₂O). L’hidrògen i l’oxígen són el primer i tercer elements més abundants a l’Univers, respectivament. L’hidrògen es va formar primer quan la temperatura de l’Univers havia baixat suficientment per permetre l’unió estable dels joves protons amb electrons sense ulterior ionització.

En canvi, la formació d’oxigen va haver d’esperar un llarg període de temps a escala còsmica. De fet va haver d’esperar a la formació d’estrelles, les veritables alquimistes de l’Univers. El col·lapse gravitacional del gas inicial format per l’hidrogen va donar pas a la fusió nuclear que va possibilitar la creació (nucleosíntesi) d’elements més pesants tals com l’oxigen o el calci, element químic fonamental en la formació dels nostres ossos.

L’estructura electrònica d’ambdós elements (l’hidrogen té un protó i un electró i l’oxigen té vuit protons i vuit electrons), fa que la molècula d’aigua no sigui lineal. Aquesta geometria fa que la molècula sigui polar, una característica fonamental com a solvent. Les molècules d’aigua interaccionen entre sí compartint els àtoms d’hidrogen, la qual cosa es coneix com a enllaç de pont d’hidrogen. Així entre dos oxígens sempre hi ha un hidrogen. La geometria relativament rígida de la molècula imposa una distribució a l’espai seguint un patró tetraèdric, on cada molècula interacciona amb quatre molècules d’aigua. Així cada oxigen comparteix quatre àtoms d’hidrogen: de mitjana n’accepta dos i en dona dos. Aquest caràcter acceptor/donador és també molt important. L’enllaç pont d’hidrogen explica molts fenòmens observats quan les molècules es condensen en l’estat líquid i sòlid (gel), i que discutiré en els propers posts.

Una altra característica extremadament rellevant dels enllaços de pont d’hidrogen és que són dinàmics: els àtoms d’hidrogen oscil·len amb freqüències altíssimes, amb períodes de pocs picosegons (1ps=10-12 s), entre dos àtoms d’oxigen. Això és així tant al gel com a l’aigua líquida. El fet que l’enllaç de pont d’hidrogen sigui tan dinàmic, juntament amb l’estructura tetraèdrica (a curt abast, ja ho explicarem) fa que l’aigua tingui un enorme poder d’adaptació, propietat fonamental per a la vida orgànica.