La estructura del agua

Transcripción

1 El agua Es la más abundante de las moléculas que conforman los seres vivos. Constituye entre el 50 y el 95% del peso de cualquier sistema vivo. La vida comenzó en el agua, y en la actualidad, dondequiera que haya agua líquida, hay vida.

2 Cubre las tres cuartas partes de la superficie de la Tierra. Pero, el agua no es en absoluto un líquido ordinario, es en realidad, bastante extraordinaria. Si no lo fuera, es improbable que alguna vez pudiese haber evolucionado la vida sobre la Tierra. El agua

3 La estructura del agua Cada molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O). Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido a un átomo de oxígeno por un enlace covalente. El único electrón n de cada átomo de hidrógeno es compartido con el átomo de oxígeno, que también n contribuye con un electrón n a cada enlace. El enlace O-H se establece por la existencia de 4 orbitales híbridos sp3 con los orbitales s del hidrógeno, que se establecen en los vértices de un tetraedro.

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5 La estructura del agua La molécula de agua, en conjunto, posee carga neutra y tiene igual número n de electrones y protones. Sin embargo, es una molécula polar. El núcleo n de oxígeno arrastra electrones fuera del núcleo n de hidrógeno, dejando a estos núcleos con una pequeña carga positiva neta. El exceso de densidad de electrones en el átomo de oxígeno crea regiones débilmente negativas en los otros dos vértices v de un tetraedro imaginario. Ángulo de enlace 104,5º Distancia 0,0965 nm (enlace covalente)

6 La estructura del agua Cuando una región n de carga parcial positiva de una molécula de agua se aproxima a una región n de carga parcial negativa de otra molécula de agua, la fuerza de atracción n forma entre ellas un enlace que se conoce como puente de hidrógeno geno. Un puente de H puede formarse solamente entre cualquier átomo de H que esté unido covalentemente a un átomo que posee fuerte atracción n por los electrones (generalmente el O o el N) y un átomo de O o N de otra molécula.

7 Puentes de hidrógeno En el agua, los puentes de hidrógeno se forman entre un vértice negativo de la molécula de agua con el vértice positivo de otra. Cada molécula de agua puede establecer puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua. Un puente de H es más m s débil d que un enlace covalente o uno iónico, pero, en conjunto tienen una fuerza considerable y hacen que las moléculas se aferren estrechamente. Distancia de enlace puente de hidrógeno 0,177 nm Energía de enlace puente de hidrógeno: 4,5 Kcal/mol Energía de enlace enlace covalente O-H: 110 Kcal/mol

8 Enlace Puente de Hidrógeno H H H O O δ + H H δ + δ O δ H H H O O Enlaces mediante los cuales las moléculas de agua se mantienen unidas. Una sóla molécula de agua puede tener hasta 4 puentes de H, esto depende de la temperatura y estado físico. Este enlace se dá entre la atracción de atómos de diferentes moléculas, en el que un oxígeno cargado (-) y un hidrógeno cargado (+) se unen por un enlace débil. Este es responsable de todas las propiedades del agua. H H

9 PUENTES DE HIDRÓGENO CON OTROS COMPUESTOS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICA COOPERATIVIDAD

10 A B Carácter direccional de los enlaces de hidrógeno. Cuando el enlace O-H es lineal respecto al átomo aceptor, el enlace de hidrógeno formado tendrá la máxima estabilidad (A). Sin embargo, cuando el oxígeno aceptor no está sobre el vector eléctrico del enlace O-H, será un enlace de hidrógeno más débil (B).

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12 Propiedades del agua

13 Impacto de los Puentes de Hidrógeno en el agua 1) H 2 S (gas) Vs H 2 O (líquido) a 25 C 2) Propiedades del agua 3) Cambios de estado 4) Tensión Superficial 5) El hielo Flota 6) El agua como solvente

14 Tensión n superficial Es una consecuencia de la cohesión n o la atracción mutua, de las moléculas de agua. Considere el goteo de agua e insectos caminando sobre un estanque. La cohesión es la unión de moléculas de la misma sustancia. La adhesión es la unión de moléculas de sustancias distintas.

15 Acción n capilar e imbibición La acción n capilar o capilaridad es la combinación n de la cohesión n y la adhesión n que hacen que el agua ascienda entre dos láminas, por tubos muy finos, en un papel secante, o que atraviese lentamente los pequeños espacios entre las partículas del suelo.

16 Resistencia a los cambios de temperatura La cantidad de calor que requiere una cantidad dada de sustancia para que se produzca un aumento dado de temperatura, es su calor específico. Una caloría se define como la cantidad de calor que elevará en 1ºC1 la temperatura de un gramo (1 ml o 1 cm 3 ) de agua. El calor específico del agua es aprox. el doble que el del aceite o del alcohol, 4 veces el del aire o del aluminio y diez veces el del acero. Sólo S el amoníaco aco líquido l tiene un calor específico más m s alto.

17 Resistencia a los cambios de temperatura El calor es una forma de energía, la energía a cinética, o energía a de movimiento, de las moléculas. El calor que se mide en calorías, as, refleja la energía a cinética total de un grupo de moléculas; incluye tanto la magnitud de los movimientos moleculares como la masa y la cantidad de moléculas en movimiento. La temperatura, que se mide en grados, refleja la energía cinética promedio de las moléculas.

18 Resistencia a los cambios de temperatura El alto calor específico del agua es una consecuencia de los puentes de hidrógeno. Estos tienden a restringir el movimiento de las moléculas. Para que la energía a cinética de las moléculas de agua aumente suficientemente como para elevar la temperatura de ésta en un grado centígrado, primero es necesario romper cierto número n de sus puentes de hidrógeno.

19 Resistencia a los cambios de El alto calor específico del agua significa que para una tasa dada de ingreso de calor, la temperatura del agua aumentará más s lentamente que la temperatura de casi cualquier otro material. Así mismo, la temperatura caerá más s lentamente cuando se elimina calor. temperatura Esta constancia de la temperatura es crítica, porque las reacciones químicas biológicamente importantes tiene lugar sólo s dentro de un intervalo estrecho de temperatura.

20 Vaporización Es el cambio de líquido l a gas. El agua tiene un alto calor de vaporización. En su punto de ebullición n (100 ºC 1 atm), se necesitan 540 calorías as para convertir un gramo de agua líquida l en vapor, casi 60 veces más m s que para el éter y casi el doble que para el amoníaco. aco. Para que una molécula de agua se evapore, deben romperse los puentes de H. Esto requiere energía a térmica. t Así,, la evaporación n tiene un efecto refrigerante y es uno de los principales medios por los cuales los organismos descargan el exceso de calor y estabilizan sus temperaturas.

21 Estados de la materia CONDENSACIÓN EBULLICIÓN SOLIDIFICACIÓN FUSIÓN H O (g) 2 vapor (No posee ni volumen ni forma definida) peb = 100 C H O (l) 2 agua o (Tiene volumen definido y asume la forma del contenedor) pf = 0 C H O (s) 2 Hielo o (Tiene volumen y forma definidos)

22 Congelamiento La densidad del agua aumenta a medida que la temperatura cae, hasta que se acerca a los 4ºC. 4. Luego, las moléculas de agua se aproximan tanto y se mueven tan lentamente que cada una de ellas puede formar puentes de H simultáneamente con otras cuatro moléculas. Sin embargo, cuando la temperatura cae por debajo de los 4 C, 4, las moléculas deben separarse ligeramente para mantener el máximo m número de puentes de hidrógeno en una estructura estable.

23 Congelamiento A 0 C, 0, el punto de congelación n del agua, se crea un retículo abierto, que es la estructura más m s estable de un cristal de hielo. Así,, el agua en estado sólido s ocupa más m s volumen que el agua en estado líquido. l El hielo es menos denso que el agua líquida l y, por lo tanto, flota en ella.

24 Congelamiento Si el agua siguiera contrayéndose ndose mientras se congela, el hielo sería a más m pesado que el agua líquida. l Los lagos y los estanques y otras masas de agua se congelarían an desde el fondo hacia la superficie. Una vez que el hielo comenzara a acumularse en el fondo, tendería a a no fundirse, estación n tras estación. Finalmente, toda la masa de agua se solidificaría a y toda la vida que albergara sería a destruida.

25 Congelamiento Por el contrario, la capa de hielo flotante que se forma realmente tiende a proteger a los organismos acuáticos, manteniendo la temperatura del agua en el punto de congelación n o por encima de él. El punto de fusión n del agua es 0 C. 0 Para hacer la transición n de sólido s a líquido, l el agua requiere 79,7 calorías as por gramo (calor de fusión). A medida que el hielo se funde, extrae esta misma cantidad de calor c de sus alrededores, enfriando el medio circundante. A la inversa, a medida que el agua se congela, libera la misma cantidad de calor a sus alrededores.

26 Densidad del agua Temp.( C) Densidad Temp ( C) Densidad Nota: La densidad del hielo a 0 C = g/cm 3

27 PROPIEDADES COLIGATIVAS Son aquellas que dependen de la concentración del soluto y no de su naturaleza. Efecto de un soluto sobre las propiedades del agua Disminución de la presión de vapor Disminución del punto de congelación Aumento del punto de ebullición Presión osmótica

28 Disminución de la presión de vapor Cuando se agrega un soluto no volátil a un solvente puro, la presión de vapor de éste en la solución disminuye. Presión de vapor: Es una medida de la tendencia de las moléculas a abandonar la fase líquida para pasar a la gaseosa. Es como consecuencia de: 1.- Disminución del número de moléculas del disolvente de superficie libre 2.- La aparición de fuerzas atractivas entre las moléculas de soluto y las moléculas de disolvente

29 Disminución de la presión de vapor Para un soluto no volátil: ΔP = P A XB donde: ΔP : Disminución de la presión de vapor XB : fracción molar del soluto B no volátil P A : presión de vapor del solvente A puro

30 DISMINUCIÓN DEL PUNTO DE CONGELACIÓN Cuando se agrega un soluto no volátil a un solvente puro, el punto de congelación de éste disminuye. La congelación se produce cuando la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del sólido

31 ΔT f = K f m Donde: ΔT f = Disminución del punto de congelación K f = Constante molal de descenso del punto de congelación. Constante crioscópica m = molalidad de la solución ΔT f = T f solvente - T f solución

32 AUMENTO DEL PUNTO DE EBULLICIÓN Cuando se agrega un soluto no volátil a un solvente puro, el punto de ebullición de éste aumenta.

33 ΔT e = K e m Donde: ΔT e = Aumento del punto de ebullición K e = Constante molal de elevación del punto de ebullición m = molalidad de la solución ΔT e = T e solución - T e solvente

34 Algunas propiedades de disolventes comunes I Solvente Pe ( C) K b ( C/m) Pf( C) K f ( C/m) Agua 100,0 0,512 0,0 1,86 Benceno 80,1 2,53 5,48 5,12 Alcanfor 207,42 5,61 178,4 40,00 Fenol 182,0 3,56 43,0 7,40 Ac. Acético 118,1 3,07 16,6 3,90 CCl 4 76,8 5,02-22,3 29,8 Etanol 78,4 1,22-114,6 1,99

35 Ósmosis y presión osmótica Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto ), se pruduce el fenómeno de la ósmosis que sería un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del agua ( disolvente ) a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida ( hipotónica ) a la más concentrada (hipertónica ), este trasiego continuará hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración ( isotónicas o isoosmóticas ). Y se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, y por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos que las bañan.

36 El agua como solvente Dentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se encuentran en solución acuosa. Una solución es una mezcla uniforme de moléculas de dos o más m s sustancias (solvente y solutos). La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de la capacidad solvente del agua. Las moléculas polares de agua tienden a separar sustancias iónicas, i como el ClNa. Alta constante dieléctrica: Tendencia a oponerse a la atracción electrostática entre los iones positivos y negativos. F=e1e2/Dr 2. D (agua)= 80

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38 El agua como solvente Muchas de las moléculas unidas covalentemente que son importantes en sistemas vivos (glucosa), tienen regiones de carga parcial + o -. Las moléculas polares que se disuelven rápidamente r en agua se llaman hidrofílicas licas. Moléculas que carecen de regiones polares (grasas), tienden a ser muy insolubles en agua. Dichas moléculas se dice que son hidrofóbicas bicas. INTERACCIONES HIDROFÓBICAS

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48 ECUACIÓN DE HENDERSON-HASSELBACH