capc3adtulo 2 agua

7/25/2019 Capc3adtulo 2 Agua

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Captulo 2.Agua

El agua, el lquido ms comn de la superficie terrestre, el componente principal en peso de todoslos seres vivos, tiene un nmero de propiedades destacables. Estas propiedades son consecuenciade su estructura molecular y son responsables de la "aptitud" del agua para desempear su papelen los sistemas vivos.

La estructura de la molcula de agua est dada por dos tomos de hidrgeno y un tomo de

oxgeno que se mantienen unidos por enlaces covalentes. Es una molcula polar y, enconsecuencia, forma enlaces -llamados puentes de hidrgeno- con otras molculas. Aunque losenlaces individuales son dbiles -se rompen y se vuelven a formar continuamente- la fuerza totalde los enlaces que mantienen a las molculas juntas es muy grande.

Los puentes de hidrgeno determinan muchas de las extraordinarias propiedades del agua. Entreellas estn su gran cohesin, su alta tensin superficial y sus altos calores especfico, devaporizacin y de fusin. Los fenmenos de capilaridad e imbibicin estn tambin relacionadoscon la presencia de puentes de hidrgeno.

La polaridad de la molcula de agua es, adems, responsable de su adhesin a otras sustancias

polares, de ah, su tendencia al movimiento capilar.Tambin debido a su polaridad el agua es un buen solvente para iones y molculas polares. Lasmolculas que se disuelven fcilmente en agua se conocen como hidroflicas. Las molculas deagua, a raz de su polaridad, excluyen activamente de la solucin a las molculas no polares. Lasmolculas excluidas de la solucin acuosa se conocen como hidrofbicas.

El agua tiene una ligera tendencia a ionizarse, o sea, a separarse en iones H+ (en realidad ioneshidronio H3O+) y en iones OH-. En el agua pura, el nmero de iones H+ y el nmero de iones OH-es igual a 10-7 mol por litro. Una solucin que contiene ms iones H+ que iones OH- es cida; unasolucin que contiene ms iones OH- que iones H+ es bsica o alcalina. La escala de pH refleja laproporcin de iones H+ a iones OH-. Una solucin cida tiene un pH inferior a 7; una solucinbsica tiene un pH superior a 7. Casi todas las reacciones qumicas de los sistemas vivos tienen

lugar en un estrecho intervalo de pH alrededor de la neutralidad. Los organismos mantienen esteestrecho intervalo de pH por medio de buffers, que son combinaciones de formas de cidos dbileso bases dbiles; dadores y aceptores de H+.

La estructura del agua

La molcula de agua es polar, con dos zonas dbilmente negativas y dos zonas dbilmentepositivas; en consecuencia, entre sus molculas se forman enlaces dbiles.

La molcula de agua (H2O) puede ser representada de varias maneras distintas. Una de ellas es elmodelo compacto y otra el modelo de esferas.

a. En el modelo compacto, el tomo de oxgeno est representado por la esfera roja y los tomosde hidrgeno por las esferas azules. A raz de su sencillez, este modelo a menudo se utiliza comoun smbolo conveniente de la molcula de agua.

b. El modelo de esferas y varillas remarca que los tomos estn unidos por enlaces covalentes;tambin da cierta indicacin de la geometra de la molcula. Una descripcin ms precisa de laforma de la molcula la proporciona el modelo orbital.

01-04-2011 Captulo 2. Agua

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La estructura de la molcula de agua.

La po laridad de la mo lcula de agua y sus consecuencias.

a. Como se ve en este modelo, el modelo orbital, desde el ncleo de oxgeno de una molcula deagua se ramifican cuatro orbitales constituyendo un tetraedro hipottico. Dos de los orbitalesestn formados por los electrones compartidos que enlazan los tomos de hidrgeno al tomo deoxgeno. Debido a la fuerte atraccin que ejerce el ncleo del oxgeno hacia los electrones, los




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electrones que intervienen en los enlaces covalentes pasan ms tiempo alrededor del ncleo deoxgeno que el que pasan alrededor de los ncleos de hidrgeno. En consecuencia, la regin quese encuentra cerca de cada ncleo de hidrgeno es una zona dbilmente positiva. Adems, eltomo de oxgeno tiene cuatro electrones adicionales en su nivel energtico exterior. Estoselectrones, que no estn implicados en el enlace covalente con el hidrgeno, estn apareados endos orbitales.

Cada uno de estos orbitales es una zona dbilmente negativa. As, la molcula de agua, desde elpunto de vista de la polaridad, tiene cuatro "vrtices", dos "vrtices'' cargados positivamente y

otros dos cargados negativamente.

b. Como resultado de estas zonas positivas y negativas, cada molcula de agua puede formarpuentes de hidrgeno (representadas por lneas de puntos) con otras cuatro molculas de agua.En condiciones normales de presin y temperatura, los puentes de hidrgeno se rompen y vuelvena formarse continuamente, siguiendo un patrn variable. Por esa causa, el agua es un lquido.

Estos enlaces, en los que se une un tomo de hidrgeno con carga positiva dbil que forma partede una molcula, con un tomo de oxgeno que posee carga negativa dbil y que pertenece a otramolcula, se conocen como puentes de hidrgeno. Cada molcula de agua puede formar puentesde hidrgeno con otras cuatro molculas de agua. Aunque los enlaces individuales son dbiles y serompen continuamente, la fuerza total de los enlaces que mantienen a las molculas juntas esmuy grande.

Consecuencias del puente de hidrgeno

Los puentes de hidrgeno son los responsables de las propiedades caractersticas del agua; entreellas, de la gran cohesin, o atraccin mutua, de sus molculas. La cohesin trae comoconsecuencia la alta tensin superficial que permite, por ejemplo, que una hoja de afeitarcolocada delicadamente sobre la superficie del agua flote.

La enorme cantidad de puentes de hidrgeno que presenta el agua tambin es responsable de suresistenc ia a los cambios de temperatura. El agua tiene un alto calor especfico -o capacidad

calorfica- un alto calor de vaporizacin y un alto calor de fusin. La accin capilar -o capilaridad-y la imbibicin son tambin fenmenos relacionados con las uniones entre molculas de agua. Si semantienen dos lminas de vidrio juntas y se sumerge un extremo en agua, la cohesin y laadhesin combinadas harn que el agua ascienda entre las dos lminas por capilaridad. De igualmodo, la capilaridad hace que el agua suba por tubos de vidrio muy finos, que ascienda en unpapel secante, o que atraviese lentamente los pequeos espacios entre las partculas del suelo y,de esta manera, est disponible para las races de las plantas. La imbibicin, por otra parte, es laabsorcin o penetracin capilar de molculas de agua en sustancias tales como la madera o lagelatina que, como resultado de ello, se hinchan. Las presiones desarrolladas por imbibicinpueden ser sorprendentemente grandes.

El agua como solventeDentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solucin acuosa. Una solucines una mezcla uniforme de molculas de dos o ms sustancias. La sustancia presente en mayorcantidad, que es habitualmente lquida, se llama solvente, y las sustancias presentes encantidades menores se llaman solutos. La polaridad de las molculas de agua es la responsable dela capacidad solvente del agua. Las molculas polares de agua tienden a separar sustanciasinicas, como el cloruro de sodio (NaCl), en sus iones constituyentes. Las molculas de agua seaglomeran alrededor de los iones con carga y los separan unos de otros.

Este diagrama muestra al cloruro de sodio (NaCl) disolvindose en el agua a medida que lasmolculas de sta se aglomeran alrededor de los iones individuales sodio y cloruro separndolosunos de otros. Ntese la diferencia entre el modo en que las molculas de agua estn dispuestasalrededor de los iones sodio y la manera en que se disponen alrededor de los iones cloruro.




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Dada la polaridad de sus molculas, el agua puede servir como disolvente para sustancias inicas y molculaspolares.

Muchas de las molculas importantes en los sistemas vivos que presentan uniones covalentes,como los azcares, tienen regiones de carga parcial positiva o negativa. Estas molculas, por lotanto, atraen molculas de agua y tambin se disuelven en agua. Las molculas polares que sedisuelven rpidamente en agua son llamadas hidroflicas ("que aman al agua''). Estas molculas sedisuelven fcilmente en agua porque sus regiones parcialmente cargadas atraen molculas deagua tanto o ms que lo que se atraen entre s. Las molculas polares de agua compiten de estemodo con la atraccin existente entre las molculas de soluto.

Molculas tales como las grasas, que carecen de regiones polares, tienden a ser muy insolubles enel agua. Los puentes de hidrgeno entre las molculas de agua actan como una fuerza queexcluye a las molculas no polares. Como resultado de esta exclusin, las molculas no polarestienden a agruparse en el agua, al igual que las gotitas de grasa tienden a juntarse, por ejemplo,en la superficie del caldo de gallina. Dichas molculas son llamadas hidrofbicas ("que tienenaversin por el agua") y los agrupamientos se producen por interacciones hidrofbicas.

Ionizacin del agua: cidos y bases

En el agua lquida hay una leve tendencia a que un tomo de hidrgeno salte del tomo de oxgeno

al que est unido covalentemente, al otro tomo de oxgeno al que se encuentra unido por unpuente de hidrgeno. En esta reaccin se producen dos iones: el ion hidronio (H3O+) y el ionhidrxido (OH-). En cualquier volumen dado de agua pura se encuentra ionizado de esta forma unnmero pequeo, pero constante, de molculas de agua. El nmero es constante porque latendencia del agua a ionizarse se contrapesa con la tendencia de los iones a reunirse. As, aunquealgunas molculas estn ionizndose, un nmero igual de otras molculas est formndose; esteestado se conoce como equilibrio dinmico.

Cuando el agua se ioniza, un ncleo de hidrgeno (o sea, un protn) se desplaza del tomo deoxgeno al cual se encuentra unido covalentemente, al tomo de oxgeno con el que establece unpuente de hidrgeno. Los iones resultantes son el ion hidrxido cargado negativamente y el ionhidronio cargado positivamente. En este diagrama, las esferas grandes representan al oxgeno y

las pequeas al hidrgeno.




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Ionizacin del a gua

En el agua pura, el nmero de iones H+ iguala exactamente al nmero de iones OH- ya que ningnion puede formarse sin el otro cuando solamente hay molculas de H2O presentes. Sin embargo,cuando una sustancia inica o una sustancia con molculas polares se disuelve en el agua,pueden cambiar los nmeros relativos de los iones H+ y OH-.

Por ejemplo, cuando el cido clorhdrico (HCl) se disuelve en agua, se ioniza casi completamenteen iones H+ y Cl-; como resultado de esto, una solucin de HCl (cido clorhdrico) contiene msiones H+ que OH-. De modo inverso, cuando el hidrxido de sodio (NaOH) se disuelve en agua,forma iones Na+ y OH-; as, en una solucin de hidrxido de sodio en agua hay ms iones OH- que

H+.

Una solucin es cida cuando el nmero de iones H+ supera al nmero de iones OH-, de modocontrario, una solucin es bsica -o alcalina- cuando el nmero de iones OH- supera al nmero deiones H+. As, un cido es una sustancia que provoca un incremento en el nmero relativo deiones H+ en una solucin, y una base es una sustancia que provoca un incremento en el nmerorelativo de iones OH-.

Los cidos y bases fuertes son sustancias, tales como el HCl y el NaOH, que se ionizan casicompletamente en agua, dando como resultado incrementos relativamente grandes en lasconcentraciones de iones H+ y OH-, respectivamente. Los cidos y bases dbiles, por contraste,son aquellos que se ionizan slo ligeramente, dando como resultado incrementos relativamente

pequeos en la concentracin de iones H+ u OH-.Dada la fuerte tendencia de los iones H+ y OH- a combinarse y la dbil tendencia del agua aionizarse, la concentracin de los iones OH- disminuir siempre a medida que la concentracin delos iones H+ se incremente (como, por ejemplo, cuando se aade HCl al agua), y viceversa. Enotras palabras, si un cido y una base de fuerzas comparables se aaden en cantidadesequivalentes, la solucin no tendr un exceso ni de iones H+ ni de OH-.

Muchos de los cidos importantes en los sistemas vivos deben sus propiedades cidas a un grupode tomos llamado grupo carboxilo, que incluye un tomo de carbono, dos tomos de oxgeno y untomo de hidrgeno (simbolizado como -COOH). Cuando se disuelve en agua una sustancia quecontiene un grupo carboxilo, algunos de los grupos -COOH se disocian y producen iones hidrgeno.

As, los compuestos que contienen grupos carboxilo son dadores de iones hidrgeno, o cidos. Soncidos dbiles, sin embargo, porque el grupo -COOH se ioniza slo levemente.Entre las bases ms importantes de los sistemas vivos se encuentran los compuestos quecontienen al grupo amino (-NH2). Este grupo tiene una tendencia dbil a aceptar iones hidrgeno,formando por lo tanto el grupo -NH3+. En tanto los iones hidrgeno son eliminados de la solucinpor el grupo amino, la concentracin relativa de los iones H+ disminuye y la concentracin relativade los iones OH- aumenta. Grupos, tales como el -NH2, que son aceptores dbiles de ioneshidrgeno son, as, bases dbiles.

Los qumicos expresan el grado de acidez por medio de la escala de pH. El smbolo "pH" indica ellogaritmo negativo de la concentracin de iones hidrgeno en unidades de moles por litro. Losnmeros cuyos logaritmos son de inters para nosotros son las concentraciones de iones

hidrgeno en las soluciones, que se expresan en moles por litro.

La ionizacin que ocurre en un litro de agua pura da como resultado la formacin, en el equilibrio,de 1/10.000.000 de mol de iones hidrgeno (y, como hemos notado previamente, exactamente lamisma cantidad de iones hidrxido). En forma decimal, esta concentracin de iones hidrgeno seescribe como 0,0000001 mol por litro o, en forma exponencial, como 10-7 mol por litro. El logaritmo




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es el exponente -7 y el logaritmo negativo es 7; con referencia a la escala de pH, se lo mencionasimplemente como pH 7. A pH 7 las concentraciones de H+ y OH- libres son exactamente igualesdado que estn en agua pura. Este es un estado neutro. Cualquier pH por debajo de 7 es cido ycualquier pH por encima de 7 es bsico. Cuanto menor sea el valor del pH, mayor ser laconcentracin de iones hidrgeno. Dado que la escala de pH es logartmica, una diferencia en unaunidad de pH implica una diferencia de 10 veces en la concentracin de iones hidrgeno. Porejemplo, una solucin de pH 3 tiene 1.000 veces ms iones H+ que una solucin de pH 6.

Una diferencia de una unidad de pH refleja una diferencia de 10 veces en la concentracin de

iones H+. Las bebidas cola, por ejemplo, son 10 veces ms cidas que el jugo de tomate. Losjugos gstricos son 100 veces ms cidos que las bebidas cola.

Casi toda la qumica de los seres vivos tiene lugar a pH entre 6 y 8. Como excepciones notablespodemos mencionar los procesos qumicos en el estmago de los humanos y otros animales, quetienen lugar a pH de aproximadamente 2. La sangre humana, por ejemplo, mantiene un pH casiconstante de 7,4, a pesar del hecho de que es el vehculo de gran nmero y variedad denutrientes y otros compuestos qumicos que reparte entre las clulas, as como de la eliminacinde desechos, muchos de los cuales son c idos y bases.

El mantenimiento de un pH constante, un ejemplo de homeostasis, es importante porque el pHinfluye en gran medida en la velocidad de las reacciones qumicas. Los organismos resistencambios fuertes y repentinos en el pH de la sangre y otros fluidos corporales por medio deamortiguadores o buffers, que son combinaciones de formas dadoras de H+ y aceptoras de H+ decidos o bases dbiles.

Los buffers mantienen el pH constante por su tendencia a combinarse con iones H+, eliminndolosas de la solucin cuando la concentracin de iones H+ comienza a elevarse y liberndolos cuandodesciende. En los sistemas vivos funciona una gran variedad de buffers, siendo cada uno de ellosms efectivo al pH particular en el que las concentraciones del dador y del aceptor de H+ soniguales.

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